EP3602099A1 - Dispositif de reperage par ultrasons - Google Patents

Dispositif de reperage par ultrasons

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Publication number
EP3602099A1
EP3602099A1 EP18711963.1A EP18711963A EP3602099A1 EP 3602099 A1 EP3602099 A1 EP 3602099A1 EP 18711963 A EP18711963 A EP 18711963A EP 3602099 A1 EP3602099 A1 EP 3602099A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensors
pair
target
ultrasound
phase shift
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18711963.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gabriel VASILE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3602099A1 publication Critical patent/EP3602099A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/003—Bistatic sonar systems; Multistatic sonar systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G01S15/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S15/102—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics
    • G01S15/104—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/8006—Multi-channel systems specially adapted for direction-finding, i.e. having a single aerial system capable of giving simultaneous indications of the directions of different signals

Definitions

  • the present application relates to an acoustic device, in particular a presence detection device and / or ultrasonic tracking.
  • Presence detection and / or ultrasonic tracking devices are used, for example in some underwater surveillance applications such as port monitoring or fish bank detection. Such devices are also used in monitoring applications of drifting elements in a river or river, for example near water catchment points used for hydroelectric production or plant cooling.
  • FIG. 1 schematically illustrates a device 100 ultrasonic tracking.
  • the device 100 comprises ultrasonic sensors 102 repeated in line at a step AQ.
  • Each sensor 102 comprises an ultrasound sensitive element 104.
  • the sensors are connected to a processing unit 106. At least one of the sensors 102 is also a generator for producing ultrasound.
  • the device is intended to identify submerged elements referred to herein as targets, for example a possible target T, located in an observed region 110 which surrounds an observation axis 112.
  • targets for example a possible target T, located in an observed region 110 which surrounds an observation axis 112.
  • the observation axis 112 is orthogonal to the line of the sensors 102
  • Each sensor 102 is provided to receive ultrasound from the observed region 110.
  • the length of the sensor line is of the order of a few cm to a few tens of cm, for example of the order of 10 to 20 cm.
  • the observed region can extend from the sensors over dimensions greater than one meter, or even much greater than the meter, for example more than 10 m.
  • the line of sensors is most often quasi-point at the scale of the region observed, and in particular with respect to the sensor-target distance.
  • ultrasound of wavelength ⁇ is emitted by the generator 10 towards the observed region 110.
  • the wavelength ⁇ is typically of the order of 0.15 to 0.5 cm, corresponding in water at frequencies between 300 kHz and 1 MHz.
  • the ultrasound is reflected by the possible target T towards the sensor line 102.
  • the sensors 102 receive the reflected ultrasound.
  • the processing unit determines the relative phase of the ultrasounds received by each sensor 102.
  • the processing unit determines, for a quasi-point sensor line, from the differences between the phases measured by the various sensors, an angle ⁇ between the sensor line and the sensor-target direction. In other words, the processing unit determines that the target is located on a cone 1 14 (shown in section) whose axis is the line of sensors and the half-angle at the top is the angle a.
  • the pitch AQ of the sensors 1 02 must be less than half the wavelength ⁇ .
  • the sensors must therefore have lateral dimensions less than half the wavelength, that is to say diameters less than 2.5 mm for the largest wavelengths mentioned above, or even less than 0. , 7 mm for the shortest wavelengths.
  • a problem is that ultrasonic sensors commonly available and easy to implement have diameters greater than 2.5 cm, that the manufacture of smaller sensors presents various difficulties, and that such small sensors are insensitive and provide poor signal-to-noise ratio
  • devices of the device type 1 00 comprising several lines of sensors, juxtaposed so that the sensors are in matrix.
  • the device determines the direction sensors-target, from the angle obtained from the sensors in lines and an angle obtained in the same way from the sensors in column.
  • Sensor steps along lines and columns should be less than half the wavelength.
  • the known devices have problems of reliability of the detection of the presence and the precision of the marking, when:
  • the ultrasounds emitted by the device are reflected by walls such as the bed of a river;
  • the targets do not reflect ultrasound, for example debris of small dimensions, for example less than cm, clusters of such debris, or soft targets such as jellyfish or plastic bags; or
  • One embodiment provides an ultrasonic tracking device, to solve all or part of the disadvantages described above.
  • One embodiment provides a target tracking device, particularly simple to manufacture.
  • One embodiment provides a target tracking device, implementing large sensors, for example of diameter greater than 2.5 cm, commonly available and easy to implement.
  • One embodiment provides a device for recognizing the presence of a target reliably in the presence of a wall.
  • One embodiment provides a target tracking device that reflects little ultrasound.
  • One embodiment provides a device for locating targets that may be moving in an aquatic environment that may be turbulent and / or turbid.
  • an embodiment provides a target tracking device, comprising: an ultrasound generator capable of being reflected by the target; pairs of first and second sensors repeated in a first direction, the first and second sensors of each pair being arranged in a second direction different from the first direction; and a processing unit adapted to: a) for each pair of sensors, measuring the phase difference between the ultrasound received by the first sensor and by the second sensor; and b) establish that the target is in a surface corresponding to the differences between measured phase shifts.
  • step b) comprises: for each point of a mesh of an observed region, calculating a theoretical phase shift for each pair of sensors; compare the differences between theoretical phase shifts and the differences between measured phase shifts; and establish that the target is among the points for which the comparison is the best.
  • the pairs of sensors are repeated at a step greater than 4 times the ultrasound wavelength, and the first and second sensors of each pair are arranged at a center-to-center distance greater than 4 times the length. wave of ultrasound.
  • step a) comprises a measurement of the amplitude of the ultrasound received by each pair of sensors
  • step b) comprises: b1) for each point of the mesh, calculate for each pair of sensors a complex value whose module is representative of the measured amplitude and the argument is representative of the differences between measured phase shifts and theoretical phase shifts; b2) calculating for each point of the mesh a sum S of the complex values of the various pairs of sensors; and b3) selecting the points of the mesh for which the sum S has the maximum module.
  • the ultrasounds are emitted by pulses; in step a), for each pair of sensors, the phase shift and the amplitude measured are measured as a function of time; and step b) comprises determining the portion of said surface for which the flight times of the pulses to the various pairs correspond to the moment of reception of the pulses.
  • step b1) comprises for each point of the mesh: b1) calculate for each pair of sensors a theoretical flight time of the ultrasound up to the pair of sensors; and bl2) for each pair of sensors, select the measured phase shift and amplitude of the ultrasound received at the time corresponding to the theoretical flight time.
  • step b1) comprises: calculating correlation values between the ultrasounds received by the various pairs of sensors during time intervals centered on the theoretical flight times; and giving to said complex values modules representative of the correlation values.
  • each pulse is an ultrasonic train of wavelengths decreasing as a function of time or increasing as a function of time
  • step a) comprises for each pair of sensors: al) receiving and sampling first and second ultrasonic signals by the first and second sensors; a2) obtaining, by Hilbert trans ⁇ formation of each of the first and second ultrasonic signals, first and second complex signals of which each sample corresponds to a reception instant; a3) filtering each of the first and second complex signals; a4) associating with each sample of the first filtered complex signal the sample of the second filtered signal having the best correlation, which results for each receiving instant a pair of first and second samples of the first and second filtered complex signals; and a5) for each reception instant, determine the measured phase shift by subtracting from each other the arguments of the samples of the corresponding sample pair, and the amplitude measured from the sample modules of the corresponding sample pair.
  • the processing unit is adapted after step a4), for one of the pairs of sensors, to: define a reference line parallel to the axis passing through the first and second sensors; for each reception instant, obtain a phase shift value representative of the difference between the measured phase shift and the theoretical phase shift for the reference line point corresponding to the reception instant ; and determining the distance between the sensor axis and the target from the phase shift value.
  • step a5) comprises, for each pair of sensors and each reception instant: a6) selecting the pairs of samples situated in a time interval around the reception instant considered; a7) obtaining the phase shift by determining an average difference between the arguments of the first and second samples of the pairs selected in step a6); and a8) measuring the amplitude of the ultrasound by determining a mean modulus of the samples of the pairs selected in step a6).
  • the sensors are adapted not to significantly detect ultrasound from directions at an angle greater than 80 ° with the second direction.
  • FIG. 1 schematically illustrates a device for locating an ultrasound target
  • FIGs. 2A and 2B are side and front views schematically illustrating an embodiment of a presence detection and target tracking device
  • FIG. 3 illustrates an exemplary method implemented by the device of FIGS. 2A and 2B;
  • Figures 4A and 4B schematically illustrate an example of a mesh of an observed region of the device 200 of Figures 2A and 2B;
  • Fig. 5A is a timing chart illustrating ultrasound signals schematically
  • FIG. 5B schematically illustrates an embodiment of a device for detecting the presence and location of a target, implementing the signals of FIG. 5A;
  • FIGS. 6A to 6D are timing diagrams schematically illustrating examples of steps implemented by a device for detecting the presence and location of a target
  • FIG. 7 is a side view of a pair of sensors, schematically illustrating an example of another step implemented by a device for detecting the presence and location of a target;
  • FIG. 8 is a timing diagram schematically illustrating an example of a step implemented by a device for detecting the presence and location of a target
  • FIG. 9 is a timing diagram illustrating examples of a step implemented by a device for detecting the presence and location of a target.
  • Figure 10 illustrates another embodiment of a device for detecting the presence and location of an ultrasound target.
  • the expressions “substantially” and “of the order of” mean within 10%, preferably within 5%, or, with respect to an orientation, at 10 degrees. near, preferably to within 5 degrees.
  • the term “signifi- cantly”, as a change in a value or a difference between values, means more than 5%, preferably more than 10%.
  • the term "theoretical”, in terms of a value at a given point, means that this value can be calculated from a theoretical ultrasound propagation model, assuming that the ultrasound is reflected. by a target at this point.
  • the theoretical model for example a constant velocity propagation model, is within the abilities of those skilled in the art and is not detailed.
  • FIGS. 2A and 2B schematically illustrate an embodiment of a device 200 for detecting the presence and location of a target T by ultrasound.
  • Figure 2A is a side view and Figure 2B is a front view.
  • the device 200 comprises Np 202-k pairs of sensors 202M-k and 202S-k, k varying from 1 to Np, repeated in line at a step A ] _ in the direction of an axis 203.
  • the sensors 202M-1 and 202S-1 are located in front of other sensors that are not visible.
  • FIG. 2B only one sensor of each pair 202-k is visible.
  • the sensors of each pair are arranged at a distance B from center to center, in the direction of an axis 204.
  • the axis 204 passes in the middle of the line of sensor pairs.
  • the axes 203 and 204 are substantially orthogonal.
  • Each of the sensors 202M-k, 202S-k is sensitive to ultrasound from an observed region 206 that surrounds an observation axis 208.
  • the observation axis 208 makes an angle ⁇ with the axis 204.
  • the sensors are connected to a processing unit 210.
  • the processing unit comprises a digital circuit, such as a microprocessor adapted to implement a program stored in a memory, and analog conversion elements. -numeric signals from the sensors.
  • the processing unit can be associated with a computer via a remote link, for example via the Internet.
  • An ultrasound generator 212 (not shown in FIG. 2A), connected to the processing unit and preferably distinct from the sensors, makes it possible to emit ultrasound towards the observed region 206.
  • the generator 212 can be placed in the middle sensors or at a remote position.
  • An advantage of an ultrasonic generator separate from the sensors is that it can be positioned to optimize the ultrasound reflections by the target, depending on the configuration of the region to be observed, for example depending on the presence of walls such as the bed of a river or a seabed.
  • the length of the line of pairs of sensors is of the order of a few cm to a few tens of cm, for example of the order of 10 to 50 cm.
  • the distance B may be a few cm, for example of the order of 2.5 to 10 cm.
  • the pitch A ] _ may be a few cm, for example of the order of 2.5 to 10 cm.
  • the line of sensor pairs is practically quasi-punctual at the scale of the region to be observed.
  • the processing unit may be provided for detecting the presence of a target when for example one of the amplitudes 1] ⁇ ultrasound received by the pairs 202-k is greater than a threshold.
  • the processing unit 210 is adapted to measure, for each pair 202-k of sensors, the phase shift ⁇ ] ⁇ between the ultrasounds received by the sensors 202M-k and 202S-k, and to locate the target from the differences ⁇ ( ⁇ ) between the phase shifts ⁇ ] ⁇ measured for the various pairs of sensors. It will be emphasized here that differences are considered between phase shifts of the ultrasounds and not differences between phases, phase shifts, as in the device 100 of FIG.
  • the processing unit determines the possible positions of the target for which the differences between the theoretical phase shifts ⁇ ' ⁇ that we obtain would best compare with the differences ⁇ ] ⁇ ] _ - ⁇ ⁇ between measured phase shifts (kl and k2 between 1 and Np).
  • the theoretical phase shifts ⁇ ' ⁇ for the various pairs can be calculated from a theoretical model taking into account the differences between the paths traveled by the ultrasound.
  • the possible positions thus determined are located in a single locating surface 214 (shown in section).
  • the marking surface thus determined remains unique when the device uses large sensors. This has resulted in a device for locating a target, which is particularly simple to produce.
  • Section 1 describes an example of identification based on the comparison between differences in measured phase shifts and differences in theoretical phase shifts, in the simple case of a line of quasi-point sensor pairs, and illustrates that the surface obtained is unique.
  • Section 2 describes a preferred example of a tracking method based on the comparison between differences in measured phase shifts and differences in theoretical phase shifts, in the absence of a hypothesis on the dimensions of the line of pairs of sensors.
  • This method which involves a mesh step (section 2.1), makes it possible to obtain a single surface for possible positioning of the target, and may in particular be used in cases where, in addition: a target is identified as a function of the ultrasound flight time (section 2, 2);
  • a target is detected and marked in the presence of a wall and / or the possible positions of a target are defined by simple coordinates to be used (section 2, 4); and or
  • the water is turbulent and / or turbid, and / or the target moves (sections 2, 5 and 2, 6).
  • ⁇ ( ⁇ ) is a value representative of the differences between the phase shifts ⁇ ] ⁇ measured for the neighboring pairs, for example a mean value
  • the angle ⁇ is the angle between the axis 204 and the sensor-target direction
  • p is the sensor-target distance
  • Al is the pitch of the pairs of sensors
  • B is the distance between sensors of a pair
  • ⁇ is the wavelength
  • the value A_ (B cos ⁇ ) / p must be less than half the wavelength ⁇ .
  • the distance B between the sensors of the same pair being much smaller than the distance p between the sensors and the target, this condition is verified.
  • the pitch Al of the sensor pairs may be greater than half the wavelength ⁇ , preferably more than 4 times the wavelength ⁇ .
  • the angle thus obtained corresponds to a single surface 214 for locating the target.
  • the angle a depends on the angle ⁇ and the distance p.
  • the surface 214 thus defined is therefore different from the cones mentioned above for the device 100. For example, for differences close to zero between measured phase shifts, the surface 214 is close to the plane of the axes 204 and 208.
  • the angle ⁇ between the axis of observation and the axis 204 is preferably provided so that the sensors are not sensitive to ultrasound coming from directions corresponding to an angle ⁇ close to 90 °. This makes it possible to avoid the values of the angle ⁇ for which the phase-shifts are too small to precisely determine the angle ⁇ .
  • FIG. 3 illustrates an example of a general method for detecting the presence of a target and for determining the angle a mentioned above, in particular in the case where the dimensions of the sensor line are not assumed.
  • the points of the observed region are indicated by angles a and ⁇ and a distance p as defined in section 1 above, the sensor-target direction and the sensor-target distance being defined relative to each other. at a central point of the line of sensor pairs.
  • a meshing step 300 pairs of values of the angle ⁇ and the distance p are defined. These pairs may correspond to points of a mesh of the plane of the axes 204 and 208 (plane of Figure 2A). For each of these pairs of values ⁇ and p, angles -j_ are defined from which the angle ⁇ is sought. We thus obtain a mesh of the observed region. An example of such a mesh step will be described in more detail below in section 2.1 (FIGS. 4A and 4B).
  • the meshing step may have been provided in advance, for example during programming of the processing unit, and thus be common to the various implementations of the method.
  • phase shifts ⁇ pour for the various pairs of sensors are measured as described above. We can also measure the amplitudes The following process steps are performed for each pair of values ⁇ and p.
  • step 306 for each angle 3 ⁇ 4, the sum of the complex values 3 ⁇ 4 for the various pairs of sensors is calculated.
  • step 308 the angle ⁇ j for which the sum of the values 3 ⁇ 4 has the maximum modulus is chosen as the angle.
  • the presence of the target can be detected when this maximum module is greater than a threshold.
  • step 308 the angle ⁇ is searched for by successive iterations.
  • the obtained angle is the one, for which the differences between measured phase shifts best compare to the differences between theoretical phase shifts.
  • the method of FIG. 3 thus makes it possible to determine a single registration surface, in particular without assuming the length of the line of pairs of sensors.
  • the following sections 2.1 to 2.6 present in greater detail various examples and variants of the general process steps described herein.
  • Figures 4A and 4B schematically illustrate an example of the step of meshing the observed region 206 of the device 200 of Figures 2A and 2B.
  • Figure 4A is a sectional view in the plane A-A of the axes 204 and 208.
  • Figure 4B is a front view.
  • the meeting point 402 of the axes 203 and 204 is located at the center of the sensor 202M-k0, where the index kO is equal to Np / 2.
  • the plane of the axes 204 and 208 is meshed.
  • a set of distances p of the points of the mesh at point 402 is first defined, for example at a regular pitch Ar.
  • the mesh comprises for each distance p, a point 404A located on the observation axis at the distance p from the point 402.
  • the mesh comprises points 404A 'situated in the plane of FIG. 4A, at the same location. distance from the axis 204 as the point 404A, each point 404A 'corresponding to one of the distances p.
  • the mesh of the observed region comprises points 404B, visible in FIG. 4B, for which the distance p (from the point 402 to the considered point) and the angle ⁇ (between the axis 204 and the direction of point 402 at the point in question) are the same.
  • Each point 404B of the mesh is associated with one of the aforementioned angles -j_ (between the axis 203 and the direction of the point 402 at the point 404B).
  • the points 404B can be evenly spaced, for example at step Ar.
  • step Ar a value of the order of half the wavelength.
  • the generator 212 is provided for pulsing ultrasound.
  • the processing unit 210 implements a method similar to that of FIG. 3, in which measurements of amplitude 3 ⁇ 4 (t) and of phase shift ⁇ ⁇ ) are first measured as a function of time, from which the measured amplitude 3 ⁇ 4 and the measured phase shift ⁇ ⁇ are then determined.
  • the method includes examples of steps 302 and 304 of Figure 3, described herein in connection with Figures 5A and 5B.
  • FIG. 5A is a timing diagram schematically illustrating emitted ultrasonic signals, then measured at step 302 of the method.
  • Figure 5B shows a schematic front view of the device.
  • An ultrasound pulse 500 of width AtO is first emitted by the generator 212.
  • FIG. 5A shows the envelope of the ultrasound waves emitted, the details of these waves not being shown.
  • step 302 in each pair 202-k, the sensors 202M-k and 202S-k each receive an ultrasonic signal as a function of time.
  • the processing unit measures, for each pair of sensors, according to the instant of reception:
  • a signal of amplitude 3 ⁇ 4 (t) of the ultrasounds received by the pair of sensors for example the amplitude of the ultrasounds received by the sensor 202M-k;
  • phase shift signal ⁇ ⁇ between the ultrasonic waves received by the sensor 202M-k and those received by the sensor 202S-k.
  • the amplitude and phase shift signals of two (202-k1 and 202-k2) pairs of sensors are shown.
  • the amplitude signal of each sensor pair present possibly a pulse 502 corresponding to a target T.
  • the phase shift signal can be defined only for the values 504 useful for the rest, which correspond to the times when the amplitude is sufficient for the phase shift to be measured.
  • the amplitude and phase shift signals are sampled signals of values 3 ⁇ 4 (t n ) and ⁇ ] ((t n ), the reception times t n (not shown in FIG. 5) being for example at regular intervals. .
  • time of flight is calculated theoretical t] ⁇ ultrasound to reach the pair of sensors, for example sensor 202M-k.
  • the distances p points of the mesh to the sensors are associated with theoretical flight times which allows calculations of easy flight times.
  • the complex value 3 ⁇ 4 can then be calculated in the manner described with reference to FIG. 3 (relation (2)) using the measured values of amplitude 3 ⁇ 4 and of phase shift ⁇ ⁇ thus determined.
  • the complex value 3 ⁇ 4 can also be determined, from the amplitude signals 3 ⁇ 4 (t) and the phase shift (AcJt), in a manner described below in section 2.6 (FIG. 9).
  • Steps 306 and 308 of FIG. 3 are then implemented.
  • the method of this section 2.2 establishes that the target is in a limited portion 504 of the previously determined surface 214.
  • the method of the preceding section 2.2 is used, in which a variant of the step of measuring the amplitude signals 3 ⁇ 4 (t) and the phase shift signal AcJ ⁇ t) of the various pairs of sensors is used. to obtain these signals with high resolution and signal-to-noise ratio.
  • FIGS. 6A to 6D are timing diagrams illustrating examples of steps implemented by a device for detecting and locating a target of the type of that of FIGS. 2A and 2B. These steps make it possible to determine sampled signals of amplitude 3 ⁇ 4 (t) and of phase shift ⁇ njt (t) measured for one, 202-k, of the pairs of sensors.
  • an ultrasonic pulse is generated.
  • the pulse is an ultrasonic train of increasing frequency as a function of time.
  • the frequency scans the frequency range between 300 kHz and 1.2 MHz.
  • the total duration of the pulse is between 0.5 ms and 2 ms, for example 1 ms.
  • the 202-k receives an ultrasonic signal.
  • the 202M-k sensor receives a RMO signal and the sensor 202S-k receives a signal RSO, as a function of time t.
  • An ultrasonic train reflected by a possible target reaches both sensors at times tM and tS (at the center of the received pulses).
  • Moments tM and tS have an offset depending on the position of the target. In practice, the duration of the pulse is much greater than the offset between the times tM and tS.
  • Each sample RMO (t n ) or RSO (t n ) corresponds to a reception time t n of ultrasound by the corresponding sensor.
  • the sampling frequency l / At of the signal RMO is substantially equal to 4 times the central frequency of the pulse.
  • the sampling frequencies are identical for the sampled signals RMO and RSO.
  • the sampling frequency of the signal RSO is greater than that of the signal RMO, for example 8 times higher.
  • a sampled complex signal is then determined by Hilbert transformation.
  • the module and the argument respectively correspond to the amplitude and the relative phase of the ultrasounds received.
  • sampled complex signals RM2 and RS2 are obtained by matched filtering of each of the signals RM1 and RS1.
  • the adapted filtering of RM1 or RS1 consists, for each flight time t n , of implementing the relation:
  • RI is the signal RM1 or RS1
  • R2 is the signal RM2 or RS2
  • fl is a sampled complex signal representative of the ultrasounds emitted by the generator between instants t_Ni and 3 ⁇ 41 'sampled at the frequency l / At and obtained by Hilbert transform.
  • the signal f 1 may correspond directly to the transmitted signal, or to a signal received by one of the sensors after propagation in the water, for example measured during a pre-adjustment phase of the device.
  • the signal f1 may be a matched filter reference signal obtained in the manner described in connection with section II and FIG. 2 of Vasile G's "Reference Selection for an Active Ultrasound Wild Salmon Monitoring System". et al., MTS / IEEE North American Conference OCEANS, Washington DC, USA, published in 2015.
  • the matched filtering has the effect of concentrating around the same instant, tM for the signal RM2, and tS for the signal RS2, the ultrasound reflected by a target.
  • Pulse 502 is then obtained in each of the signals.
  • the width of the pulses is of the order of the duration At, for example so that in each signal the pulse 502 only significantly affects one or two samples.
  • the module and the argument are respectively representative of the amplitude and the relative phase of the ultrasound reflected by the target.
  • the sample RS2 (t n i) is associated for which the signal RS2 has the best correlation with the signal RM2.
  • a pair of samples RM2 (t n ) and RS3 (t n ) were thus formed for each reception instant t n .
  • the correlation is over a period of duration At2, centered on the sample RM2 (t n ) for the signal RM2 and on the sample RS2 (t n for the signal RS2.
  • the signal RS2 may be oversampled, for example by a factor 8, before the step of FIG. 6C, or the signal RS2 may have retained the sampling frequency of the signal RS0 in the case where this frequency is higher than that of the RMO signal.
  • the signal RS3 can be determined, in the present case of ultrasonic pulses, in a manner similar to that described for radar pulses in section 1.3 on page 17 of the document "Interferometric Opening Synthetic Radar Imaging". and polarimetry ", Ph.D. thesis of Vasile G., University of Savoie, France, 2007.
  • each value 3 ⁇ 4 (t n ) is representative of the sample modules RM2 (t n ) and RS3 (t n ), for example the average of the modules.
  • each value ⁇ ⁇ ⁇ ) is the difference between the arguments of the samples RS3 (t n ) and RM2 (t n ).
  • Another example of determining the signals 3 ⁇ 4 (t) and J (t) from the signals RM2 and RS3 will be described below in section 2.5 (FIG. 8).
  • An advantage of the steps 6A to 6D is that they allow the implementation of the adapted filtering. Due to the matched filtering, the amplitude and phase shift signals thus measured have an improved signal-to-noise ratio, making it possible to locate a target that reflects little ultrasound. In addition, the adapted filtering allows a high resolution.
  • an advantage of the use of large sensors is that they allow a particularly high signal-to-noise ratio and resolution, because such sensors have particularly wide frequency ranges.
  • the adapted filtering allows a signal-to-noise ratio and a resolution all the higher as the frequency range scanned by the ultrasound train is wide. It is thus possible to obtain a resolution of the order of half the central wavelength of the ultrasound.
  • a tracking device of the type of that of FIGS. 2A and 2B whose sensors are large, and
  • the method of section 2.2 (FIGS. 5A and 5B), comprising the steps of this section 2.3 (FIGS. 6A to 6D)
  • an optional step is implemented using, for example, the signals RS2 and RS3 determined in the previous section 2.3.
  • FIG. 7 is a side view of a pair 202-k of sensors, illustrating an example of an optional step implemented by a device for locating a target.
  • the device has been positioned so that the plane of the sensors (axes 203 and 204) is parallel to a wall 600 such as the bottom of a river.
  • the wall 600 corresponds to a line 601 in the plane of the figure (that is to say in the plane of an axis 204-k passing through the two sensors and an axis 208-k parallel to the axis observation passing through the sensor 208M-k).
  • the point 602 is determined on the line 601 for which the flight time corresponds to the reception time t n .
  • 3 ⁇ 4 (t n ) representative of the theoretical phase shift A6'k (t n ) for the point 602 is then calculated.
  • P Q is the distance between the sensor 202M-k and the point 604
  • f is the center frequency of the ultrasonic pulses
  • ⁇ is the angle between the axes 208 and 204
  • B is the distance between the sensors 202M-k and 202S-k.
  • a sampled complex signal RS3 ' is then obtained from the signal RS3 by adding the value ⁇ ⁇ (t n ) to the argument of each sample RS3 (t n ).
  • a phase shift signal ⁇ pl (t) is determined from the signals RS3 'and RM2, for example in a manner similar to that for determining the phase shift signal ⁇ ⁇ ) from the signals RM2 and RS3. described in previous section 2.3, Figure 6D.
  • the phase shift signal ⁇ pl (t) can also be determined in a manner similar to that described below in section 2.5.
  • the presence of the target T in front of the wall can then be detected when one, ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ), of the values ⁇ 1] ⁇ ⁇ ) of the signal ⁇ ] ⁇ ) deviates significantly from the other values of this signal. for example more than 10%.
  • the value ⁇ 1] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) obtained for a pair of sensors depends only on the distance r from the target to the wall 600, and the value ⁇ 1] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) corresponds to the target while the other values ⁇ 1] ⁇ ⁇ ) correspond to the wall.
  • the presence of a target is detected reliably, even in the presence of an ultrasound-reflecting wall.
  • a wall is present here by way of example, it is possible alternatively to identify the target by its distance from other surfaces, such that, in the case of a quasi-generator-sensor distance punctual, a cylinder of radius rO and axis axis 204-k.
  • the line 601 is then located at the distance rO of the axis 204-k.
  • the value ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ) only depends significantly on the distance between the target and the axis 204-k.
  • the constant value ⁇ mentioned above allows the value ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ) to be zero when the target is on the cylinder, and the distance between the target and the cylinder is then particularly simple to obtain.
  • the target can be identified by then implementing steps similar to steps 304, 306 and 308 of FIG. examples of these steps described in section 2.2, using the values ⁇ ] ⁇ (t n ) in place of the phase shifts ⁇ ] ⁇ ⁇ ), and using theoretical values ⁇ 1 ' ] ⁇ ⁇ ) instead of the phase shifts theoretical ⁇ ] ⁇ ' ⁇ ⁇ ).
  • the theoretical values are similar to steps 304, 306 and 308 of FIG. examples of these steps described in section 2.2, using the values ⁇ ] ⁇ (t n ) in place of the phase shifts ⁇ ] ⁇ ⁇ ), and using theoretical values ⁇ 1 ' ] ⁇ ⁇ ) instead of the phase shifts theoretical ⁇ ] ⁇ ' ⁇ ⁇ ).
  • the optional step of this section 2.4 thus makes it possible to reliably detect the presence of a target, and / or to limit the area on which the target is likely to be, and this even in the presence of an observed region delimited by a wall.
  • This step also makes it possible to express the possible positions of the target in a simple manner.
  • FIG. 6D a variant of the step of FIG. 6D is used to obtain the signals of amplitude 3 ⁇ 4 (t) and of phase shift ⁇ ⁇ ).
  • FIG. 8 is a timing diagram schematically illustrating an example of obtaining, for a pair of sensors 202-k, signals of amplitude 3 ⁇ 4 (t) and of phase shift ⁇ nj (t) from the signal RM2 and, for example, RS3 signal from the step of section 2.3, Figure 6C.
  • the signal RS3 'of the step of the section can be used instead of the signal RS3, the signal RS3 'of the step of the section can be used.
  • a vector V is formed (t n of the samples RM2 (t n i) and RS3 (t n , that is to say:
  • N2 consecutive reception instants t n i are selected closest to the instant t n , situated between instants For example, the integer N2 is common at all times of reception. Then a Cov covenant matrix (t n ) (of 2x2 dimension) of the selected V (t n ') vectors is determined.
  • the Cov (t n ) matrix is sought for signals corresponding to ultrasound, as described for radar waves in section IIC, paragraph 2 and equation [13] of the document "Stable scatterers detection”.
  • the Cov matrix ( t n ) can be found as a solution of the equation:
  • V H (t n ) is the complex conjugated transposed vector of the vector V H (t n )
  • Cov ⁇ 1 (t n ) is the inverse matrix of the matrix Cov (t n ).
  • Each value 1 ⁇ (t n ) thus obtained is representative of the sample modules RM2 (t n i) and RS3 (t n i) selected around the instant t n .
  • the value 1 ⁇ (t n ) any value representative of the modules of the selected samples, for example an average value of these modules.
  • each value ⁇ ⁇ (t n ) obtained here is representative of the differences between the arguments of each pair RM2 (t n i), RS3 (t n i) of selected samples.
  • the processing unit is furthermore adapted to implement a phase correlation signal E (t) of which each value E (t n ) is defined by the relation:
  • the device can then detect the presence of the target T when the E (t n Q) of the values of the phase correlation signal is greater than a threshold, for example 0.3.
  • the presence of the target can also be detected when one of the values of the correlation signal deviates significantly from the other values of this signal, for example, deviates by more than 0.1.
  • the use of a statistical correlation signal between signals received by the two sensors, such as the signal E (t) makes it possible to detect the presence of a target in a particularly reliable manner. In particular, it is possible to detect in a particularly reliable manner the presence of a target that can be poorly reflective and / or moving in a turbulent and / or turbid medium.
  • the step of determining the amplitude 3 ⁇ 4 (t) and phase shift Ac (t) signals for each pair of sensors thus makes it possible to locate in a turbulent medium and / or turbid a target that can be in motion.
  • step 304 in which the relation (2) providing the complex value 3 ⁇ 4 is replaced by a step calculation described below.
  • FIG. 9 is a timing diagram illustrating an example of a calculation of the complex value 3 ⁇ 4 of step 304 for each point of a mesh, from theoretical phase shifts ⁇ ' ⁇ and amplitude signals 3 ⁇ 4 (t) and phase shift ⁇ ⁇ ). Amplitude and phase shift signals have been shown for two pairs 202-k1 and 202-k2 of sensors. Preferably, the signals 3 ⁇ 4 (t) and ⁇ ⁇ ) were obtained at a step of the type of that of the previous section 2.5 (FIG. 8). The calculation described here is of the type described in J. Capon's High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis, published in 1969 in Proceedings of the IEEE, Vol 57 (8), 1408-1418.
  • the flight time t 1 ultrasound up to the pair of sensors is calculated.
  • N3 consecutive receiving instants 3 ⁇ 4 + n i closest closest to the moment are selected between instants 3 ⁇ 4_N3 / 2 and
  • N3 is for example greater than k squared.
  • the Covl covariance matrix of the N3 vectors VI ( ⁇ ') is then calculated.
  • the matrix Covl can be calculated in a manner similar to that described with reference to FIG. 8.
  • V2 k is the kth component of vector V2.
  • the possible target is marked in a particularly reliable and accurate manner when the water is turbulent and / or turbid, and / or when the target is in motion.
  • the complex value 3 ⁇ 4 obtained here for each pair of sensors has its module representative of the intensity of the ultrasounds received and its argument representative of the difference between measured phase shift and theoretical phase shift.
  • complex values 3 ⁇ 4 can be calculated by any other type of statistical correlation adapted between signals received by the various sensors at times close to the theoretical flight times, for example by combining the values of V 2 k obtained for several values of N3.
  • it is possible here to use statistical correlations making it possible to measure the speed of the target for example by implementing the following steps:
  • ⁇ is the central wavelength of ultrasound
  • step 308 for each point where the target is marked, choose as the measured speed of the target the speed u for which the sum is maximum.
  • a method of the type of that of FIG. 3 can implement the steps of sections 2.2, 2.3, 2.5 (possibly after that of section 2.4) to determine the amplitude and phase shift signals measured for each pair of sensors, and the step of section 2.6 to locate the target from the amplitude and phase shift signals of the various pairs of sensors.
  • Particularly reliable detection and / or identification is obtained in a turbulent and / or turbid medium, and it is possible to measure the speed of a possible target.
  • devices described above include a single line of sensor pairs, there may be provided devices comprising a plurality of sensor pair lines.
  • FIG. 10 is a front view of an example of a target locating device 700 comprising two lines 702A and 702B of sensor pairs 202.
  • the lines of sensor pairs are parallel to one another on either side of an observed region 704.
  • the sensors of each pair are in a common direction orthogonal to the axes 203 of the lines (ie orthogonal to the plane of Figure 10). Thus, only one sensor of each pair is visible in FIG.
  • An ultrasonic generator 212A is disposed near the line 702B, for example at a distance comprised by example between 5 cm and 20 cm.
  • An ultrasonic generator 212B is located near the line 702A.
  • the distance between the two lines is greater than 1 m, for example between 1 and 50 m.
  • ultrasound is first emitted by the generator 212A, and these ultrasound reflected by possible targets are received by the sensors of the line 702A.
  • a processing unit 210 'then uses a method, for example of the type of that of FIG. 3, to identify these possible targets from the differences between phase shifts for the various pairs of sensors of the line 702A.
  • Ultrasound is then emitted by the generator 212B, and these ultrasounds reflected by possible targets are received by the sensor pairs of the line 702B.
  • the processing unit 210 'then again applies a method, for example of the type of that of Figure 3, using the differences between phase shifts for the various pairs of sensors of the line 702B.
  • An advantage of using two lines of sensors is that it avoids possible masking effects of a target by another or by any obstacles present in the region observed. This results in improved target detection.
  • the processing unit can use the ultrasonic signals received by the two lines 702A and 702B, and establish that the target is among the possible positions determined for line 702A and for line 702B.
  • a device of the type of FIGS. 2A and 2B may comprise two generators arranged on either side of the line, for example on the axis 204, or near the ends of the line of pairs of sensors, for example on the axis 203.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de repérage d'une cible (T), comprenant: un générateur d'ultrasons (212) susceptibles d'être réfléchis par la cible; des paires (202-1, 202-Np) de premier et deuxième capteurs répétées dans une première direction (203), les premier et deuxième capteurs de chaque paire étant disposés dans une deuxième direction différente de la première direction (203); et une unité de traitement (210) adaptée à: a) pour chaque paire de capteurs, mesurer le déphasage entre les ultrasons reçus par le premier capteur et par le deuxième capteur; et b) établir que la cible se trouve dans une surface (214) correspondant aux différences entre déphasages mesurés.

Description

DISPOSITIF DE REPERAGE PAR ULTRASONS
Domaine
La présente demande concerne un dispositif acoustique, en particulier un dispositif de détection de présence et/ou de repérage par ultrasons.
Exposé de 1 ' art antérieur
On utilise des dispositifs de détection de présence et/ou de repérage par ultrasons, par exemple dans certaines applications de surveillance sous-marine telles que la surveillance de ports ou la détection de bancs de poissons. De tels dispositifs sont également utilisés dans des applications de surveillance d'éléments dérivant dans un fleuve ou une rivière, par exemple près de points de captage d'eau utilisés pour la production hydroélectrique ou le refroidissement de centrales .
La figure 1 illustre schématiquement un dispositif 100 de repérage par ultrasons. Le dispositif 100 comprend des capteurs d'ultrasons 102 répétés en ligne à un pas AQ . Chaque capteur 102 comprend un élément 104 sensible aux ultrasons. Les capteurs sont reliés à une unité de traitement 106. L'un au moins 108 des capteurs 102 est aussi un générateur permettant de produire des ultrasons.
Le dispositif est prévu pour repérer des éléments immergés appelés ici cibles, par exemple une éventuelle cible T, situés dans une région observée 110 qui entoure un axe d'observation 112. L'axe d'observation 112 est orthogonal à la ligne des capteurs 102. Chaque capteur 102 est prévu pour recevoir les ultrasons en provenance de la région observée 110.
La longueur de la ligne de capteurs est de l'ordre de quelques cm à quelques dizaines de cm, par exemple de l'ordre de 10 à 20 cm. La région observée peut s'étendre à partir des capteurs sur des dimensions supérieures au mètre, voire très supérieures au mètre, par exemple plus de 10 m. Ainsi, la ligne de capteurs est le plus souvent quasi-ponctuelle à l'échelle de la région observée, et en particulier par rapport à la distance capteurs-cible .
En fonctionnement, des ultrasons de longueur d'onde λ sont émis par le générateur 10 8 en direction de la région observée 11 0 . La longueur d'onde λ est typiquement de l'ordre de 0 , 15 à 0 , 5 cm, correspondant dans l'eau à des fréquences comprises entre 300 kHz et 1 MHz. Les ultrasons sont réfléchis par la cible T éventuelle en direction de la ligne de capteurs 102 . Les capteurs 102 reçoivent les ultrasons réfléchis. L'unité de traitement détermine la phase relative des ultrasons reçus par chaque capteur 102 .
L'unité de traitement détermine, pour une ligne de capteurs quasi-ponctuelle, à partir des différences entre les phases mesurées par les divers capteurs, un angle a entre la ligne de capteurs et la direction capteurs-cible. En d'autres termes, l'unité de traitement détermine que la cible est située sur un cône 1 14 (représenté en coupe) dont l'axe est la ligne de capteurs et le demi-angle au sommet est l'angle a.
Afin de ne pas obtenir pour l'angle a plusieurs valeurs correspondant à des phases d'ultrasons différant de multiples de 2π, le pas AQ des capteurs 1 02 doit être inférieur à la moitié de la longueur d'onde λ.
Les capteurs doivent donc avoir des dimensions latérales inférieures à la moitié de la longueur d'onde, c'est à dire des diamètres inférieurs à 2 , 5 mm pour les longueurs d'ondes les plus grandes mentionnées ci-dessus, voire inférieures à 0 , 7 mm pour les longueurs d'onde les plus courtes. Un problème est que les capteurs d'ultrasons couramment disponibles et faciles à mettre en oeuvre ont des diamètres supérieurs à 2 , 5 cm, que la fabrication de capteurs plus petits présente diverses difficultés, et que de tels petits capteurs sont peu sensibles et fournissent un mauvais rapport signal sur bruit .
Il existe des dispositifs du type du dispositif 1 00 comprenant plusieurs lignes de capteurs, juxtaposées de sorte que les capteurs sont en matrice. Le dispositif détermine la direction capteurs-cible, à partir de l'angle a obtenu à partir des capteurs en lignes et d'un angle obtenu de la même manière à partir des capteurs en colonne. Les pas des capteurs selon les lignes et selon les colonnes doivent être inférieurs à la moitié de la longueur d'onde. De tels dispositifs présentent donc des problèmes similaires à ceux décrits ci-dessus.
Par ailleurs, les dispositifs connus présentent des problèmes de fiabilité de la détection de présence et de précision du repérage, lorsque :
- l'eau est agitée de turbulences ;
- les ultrasons émis par le dispositif sont réfléchis par des parois telles que le lit d'une rivière ;
- les éléments que l'on cherche à détecter sont animés de mouvements rapides ;
- les cibles réfléchissent peu les ultrasons, par exemple des débris de petites dimensions, par exemple inférieures au cm, des amas de tels débris, ou des cibles molles telles que des méduses ou des sacs plastiques ; ou
- le niveau de turbidité de l'eau est élevé.
Résumé
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage par ultrasons, permettant de résoudre tout ou partie des inconvénients décrits ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage de cibles, particulièrement simple à fabriquer.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage de cibles, mettant en oeuvre des gros capteurs, par exemple de diamètre supérieur à 2,5 cm, couramment disponibles et faciles à mettre en oeuvre.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif permettant repérer la présence d'une cible de manière fiable en présence d'une paroi.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage de cibles réfléchissant peu les ultrasons. Un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage de cibles pouvant être en mouvement dans un milieu aquatique pouvant être turbulent et/ou turbide.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif de repérage d'une cible, comprenant : un générateur d'ultrasons susceptibles d'être réfléchis par la cible ; des paires de premier et deuxième capteurs répétées dans une première direction, les premier et deuxième capteurs de chaque paire étant disposés dans une deuxième direction différente de la première direction ; et une unité de traitement adaptée à : a) pour chaque paire de capteurs, mesurer le déphasage entre les ultrasons reçus par le premier capteur et par le deuxième capteur ; et b) établir que la cible se trouve dans une surface correspondant aux différences entre déphasages mesurés.
Selon un mode de réalisation, l'étape b) comprend : pour chaque point d'un maillage d'une région observée, calculer un déphasage théorique pour chaque paire de capteurs ; comparer les différences entre déphasages théoriques aux différences entre déphasages mesurés ; et établir que la cible se trouve parmi les points pour lesquels la comparaison est la meilleure.
Selon un mode de réalisation, les paires de capteurs sont répétées à un pas supérieur à 4 fois la longueur d'onde des ultrasons, et les premier et deuxième capteurs de chaque paire sont disposés à une distance centre à centre supérieure à 4 fois la longueur d'onde des ultrasons.
Selon un mode de réalisation, l'étape a) comprend une mesure de l'amplitude des ultrasons reçus par chaque paire de capteurs, et l'étape b) comprend : bl) pour chaque point du maillage, calculer pour chaque paire de capteurs une valeur complexe dont le module est représentatif de l'amplitude mesurée et l'argument est représentatif des différences entre déphasages mesurés et déphasages théoriques ; b2) calculer pour chaque point du maillage une somme S des valeurs complexes des diverses paires de capteurs ; et b3) sélectionner les points du maillage pour lesquels la somme S a le module maximal. Selon un mode de réalisation, les ultrasons sont émis par impulsions ; à l'étape a), pour chaque paire de capteurs, le déphasage et l'amplitude mesurés sont mesurés en fonction du temps ; et l'étape b) comprend la détermination de la partie de ladite surface pour laquelle les temps de vol des impulsions vers les diverses paires correspondent aux instants de réception des impulsions.
Selon un mode de réalisation, l'étape bl) comprend pour chaque point du maillage : bll) calculer pour chaque paire de capteurs un temps de vol théorique des ultrasons jusqu'à la paire de capteurs ; et bl2) pour chaque paire de capteurs, sélectionner le déphasage et l'amplitude mesurés des ultrasons reçus à l'instant correspondant au temps de vol théorique.
Selon un mode de réalisation, l'étape bl2) comprend : calculer des valeurs de corrélation entre les ultrasons reçus par les diverses paires de capteurs pendant des intervalles de temps centrés sur les temps de vol théoriques ; et donner aux dites valeurs complexes des modules représentatifs des valeurs de corrélation.
Selon un mode de réalisation, chaque impulsion est un train d'ultrasons de longueurs d'onde décroissantes en fonction du temps ou croissantes en fonction du temps, et l'étape a) comprend pour chaque paire de capteurs : al) recevoir et échantillonner des premier et deuxième signaux ultrasonores par les premier et deuxième capteurs ; a2) obtenir, par trans¬ formation de Hilbert de chacun des premier et deuxième signaux ultrasonores, des premier et deuxième signaux complexes dont chaque échantillon correspond à un instant de réception ; a3) filtrer par filtrage adapté chacun des premier et deuxième signaux complexes ; a4) associer à chaque échantillon du premier signal complexe filtré l'échantillon du deuxième signal complexe filtré présentant la meilleure corrélation, d'où il résulte pour chaque instant de réception un couple de premier et deuxième échantillons des premier et deuxième signaux complexes filtrés ; et a5) pour chaque instant de réception, déterminer le déphasage mesuré en soustrayant l'un à l'autre les arguments des échantillons du couple d'échantillons correspondant, et l'amplitude mesurée à partir des modules des échantillons du couple d'échantillons correspondant.
Selon un mode de réalisation, l'unité de traitement est adaptée après l'étape a4) , pour une des paires de capteurs, à : définir une droite de référence parallèle à l'axe passant par les premier et deuxième capteurs ; pour chaque instant de réception, obtenir une valeur de déphasage représentative de la différence entre, d'une part, le déphasage mesuré et, d'autre part, le déphasage théorique pour le point de la droite de référence correspondant à l'instant de réception ; et déterminer la distance entre l'axe des capteurs et la cible à partir de la valeur de déphasage .
Selon un mode de réalisation, l'étape a5) comprend, pour chaque paire de capteurs et chaque instant de réception : a6) sélectionner les couples d'échantillons situés dans un intervalle de temps autour de l'instant de réception considéré ; a7) obtenir le déphasage en déterminant une différence moyenne entre les arguments des premier et deuxième échantillons des couples sélectionnés à l'étape a6) ; et a8) mesurer l'amplitude des ultrasons en déterminant un module moyen des échantillons des couples sélectionnés à l'étape a6) .
Selon un mode de réalisation, les capteurs sont adaptés à ne pas détecter significativement les ultrasons provenant de directions faisant un angle supérieur à 80° avec la deuxième direction.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1, décrite ci-dessus, illustre schématiquement un dispositif de repérage d'une cible par ultrasons ; les figures 2A et 2B sont des vues de côté et de face illustrant schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible ;
la figure 3 illustre un exemple de procédé mis en oeuvre par le dispositif des figures 2A et 2B ;
les figures 4A et 4B illustrent schématiquement un exemple d'un maillage d'une région observée du dispositif 200 des figures 2A et 2B ;
la figure 5A est un chronogramme illustrant des signaux ultrasonores de manière schématique ;
la figure 5B illustre schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible, mettant en oeuvre les signaux de la figure 5A ;
les figures 6A à 6D sont des chronogrammes illustrant schématiquement des exemples d'étapes mises en oeuvre par un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible ;
la figure 7 est une vue de côté d'une paire de capteurs, illustrant schématiquement un exemple d'une autre étape mise en oeuvre par un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible ;
la figure 8 est un chronogramme illustrant schématiquement un exemple d'une étape mise en oeuvre par un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible ;
la figures 9 est un chronogramme illustrant des exemples d'une étape mise en oeuvre par un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible ; et
la figure 10 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif de détection de présence et de repérage d'une cible par ultrasons.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. En particulier, les dimensions des dispositifs de repérage par ultrasons sont exagérées par rapport à celles des régions observées dans lesquelles les cibles peuvent être situées. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés .
Dans la description qui suit, sauf précision contraire, les expressions "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près, ou, s 'agissant d'une orientation, à 10 degrés près, de préférence à 5 degrés près. Sauf précision contraire, l'expression "signifi- cativement", s 'agissant d'une variation d'une valeur ou d'une différence entre des valeurs, signifie de plus de 5 %, de préférence de plus de 10 %.
Sauf précision contraire, l'expression "théorique", s 'agissant d'une valeur en un point donné, signifie que cette valeur peut être calculée, d'après un modèle théorique de propagation d'ultrasons, en supposant que les ultrasons sont réfléchis par une cible en ce point. Le modèle théorique, par exemple un modèle de propagation à vitesse constante, est à la portée de l'homme du métier et n'est détaillé.
On cherche à obtenir un dispositif de repérage d'une cible, permettant de déterminer une surface de repérage près de laquelle une cible est située, le dispositif pouvant mettre en oeuvre des gros capteurs, par exemple de diamètre supérieur à 2,5 cm.
Les figures 2A et 2B illustrent schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif 200 de détection de présence et de repérage d'une cible T par ultrasons. La figure 2A est une vue de côté et la figure 2B est une vue de face.
Le dispositif 200 comprend Np paires 202-k de capteurs 202M-k et 202S-k, k variant de 1 à Np, répétées en ligne à un pas A]_ dans la direction d'un axe 203. En figure 2A, les capteurs 202M-1 et 202S-1 sont situés devant les autres capteurs qui ne sont donc pas visibles. De même, en figure 2B, seul un capteur de chaque paire 202-k est visible. Les capteurs de chaque paire sont disposés à une distance B de centre à centre, selon la direction d'un axe 204. L'axe 204 passe au milieu de la ligne des paires de capteurs. A titre d'exemple, les axes 203 et 204 sont sensiblement orthogonaux.
Chacun des capteurs 202M-k, 202S-k est sensible aux ultrasons provenant d'une région observée 206 qui entoure un axe d'observation 208. L'axe d'observation 208 fait avec l'axe 204 un angle Θ .
Les capteurs sont reliés à une unité de traitement 210. A titre d'exemple, l'unité de traitement comprend un circuit numérique, tel qu'un microprocesseur adapté à mettre en oeuvre un programme enregistré dans une mémoire, et des éléments de conversion analogique-numérique des signaux en provenance des capteurs. L'unité de traitement peut être associée à un ordinateur par une liaison à distance, par exemple par le réseau Internet .
Un générateur d'ultrasons 212 (non représenté en figure 2A) , relié à l'unité de traitement et de préférence distinct des capteurs, permet d'émettre des ultrasons en direction de la région observée 206. Le générateur 212 peut être disposé au milieu des capteurs ou à une position déportée. Un avantage d'un générateur d'ultrasons distinct des capteurs est qu'il peut être positionné de manière à optimiser les réflexions des ultrasons par la cible, en fonction de la configuration de la région à observer, par exemple en fonction de la présence de parois telles que le lit d'une rivière ou un fond marin.
A titre d'exemple, la longueur de la ligne de paires de capteurs est de l'ordre de quelques cm à quelques dizaines de cm, par exemple de l'ordre de 10 à 50 cm. La distance B peut être de quelques cm, par exemple de l'ordre de 2,5 à 10 cm. Le pas A]_ peut être de quelques cm, par exemple de l'ordre de 2,5 à 10 cm. La ligne de paires de capteurs est alors en pratique quasi-ponctuelle à l'échelle de la région à observer.
L'unité de traitement peut être prévue pour détecter la présence d'une cible lorsque par exemple l'une des amplitudes 1]^ des ultrasons reçus par les paires 202-k est supérieure à un seuil. L'unité de traitement 210 est adaptée à mesurer, pour chaque paire 202-k de capteurs, le déphasage Δφ]^ entre les ultrasons reçus par les capteurs 202M-k et 202S-k, et à repérer la cible à partir des différences Δ(Δφ) entre les déphasages Δφ]^ mesurés pour les diverses paires de capteurs. On soulignera que l'on considère ici des différences entre déphasages des ultrasons et non des différences entre phases, des déphasages, comme dans le dispositif 100 de la figure 1.
L'unité de traitement détermine les positions possibles de la cible pour lesquelles les différences entre les déphasages théoriques Δφ'^ que l'on obtiendrait se comparent le mieux aux différences Δφ]^]_ - Δφ^ entre déphasages mesurés (kl et k2 entre 1 et Np) . Les déphasages théoriques Δφ ' ^ pour les diverses paires peuvent être calculés à partir d'un modèle théorique tenant compte des différences entre les chemins parcourus par les ultrasons.
Les positions possibles ainsi déterminées sont situées dans une unique surface de repérage 214 (représentée en coupe) . En outre, la surface de repérage ainsi déterminée reste unique lorsque le dispositif met en oeuvre des gros capteurs. On a ainsi obtenu un dispositif repérage d'une cible, particulièrement simple à réaliser.
La section 1 ci-dessous décrit un exemple de repérage à partir de la comparaison entre différences de déphasages mesurés et différences de déphasages théoriques, dans le cas simple d'une ligne de paires de capteurs quasi-ponctuelle, et illustre que la surface obtenue est unique.
La section 2 décrit un exemple préféré de procédé de repérage à partir de la comparaison entre différences de déphasages mesurés et différences de déphasages théoriques, en l'absence d'hypothèse sur les dimensions de la ligne de paires de capteurs. Ce procédé, qui implique une étape de maillage (section 2.1), permet d'obtenir une surface unique de positionnement possible de la cible, et peut en particulier être mis en oeuvre dans les cas où, en outre : on repère une cible en fonction du temps de vol des ultrasons (section 2 . 2 ) ;
on repère avec une résolution élevée des cibles peu réfléchissantes (section 2 . 3 ) ;
on détecte et repère une cible en présence d'une paroi et/ou on définit les positions possibles d'une cible par des coordonnées simples à utiliser (section 2 . 4 ) ; et/ou
l'eau est turbulente et/ou turbide, et/ou la cible se déplace (sections 2 . 5 et 2 . 6 ) .
1 Exemple de détermination d'une surface de repérage pour une ligne de paires de capteurs guasi-ponctuelle
Pour repérer une cible à partir des différences entre déphasages mesurés dans le cas d'une ligne de paires de capteurs quasi-ponctuelle, on peut déterminer l'angle a entre l'axe 203 et la direction capteurs-cible, qui vérifie l'équation :
2π /B \
Δ (Δφ ) = — Ai - cos β cos a ( 1 )
λ \p /
où Δ(Δφ) est une valeur représentative des différences entre les déphasages Δφ]^ mesurés pour les paires voisines, par exemple une valeur moyenne,
l'angle β est l'angle entre l'axe 204 et la direction capteurs-cible,
p est la distance capteurs-cible, et
comme mentionné ci-dessus, Al est le pas des paires de capteurs, B est la distance entre capteurs d'une paire, et λ est la longueur d'onde.
Afin qu'une seule valeur de l'angle a vérifie l'équation ( 1 ) , la valeur A_ (B cos β ) /p doit être inférieure à la moitié de la longueur d'onde λ. La distance B entre les capteurs d'une même paire étant beaucoup plus faible que la distance p entre les capteurs et la cible, cette condition est vérifiée. Ainsi, le pas Al des paires de capteurs peut être supérieur à la moitié de la longueur d'onde λ, de préférence, plus de 4 fois la longueur d'onde λ.
L'angle a ainsi obtenu correspond à une unique surface 214 de repérage de la cible. On notera que l'angle a dépend de l'angle β et de la distance p. La surface 214 ainsi définie est donc différente des cônes cités précédemment pour le dispositif 100. Par exemple, pour des différences proches de zéro entre déphasages mesurés, la surface 214 est proche du plan des axes 204 et 208.
L'angle Θ entre l'axe d'observation et l'axe 204 est de préférence prévu de sorte que les capteurs ne sont pas sensibles à des ultrasons provenant de directions correspondant à un angle β proche de 90°. Ceci permet d'éviter les valeurs de l'angle β pour lesquelles les déphasages sont trop faibles pour déterminer précisément l'angle a.
2 Procédé général de détection de présence et de repérage d'une cible
La figure 3 illustre un exemple de procédé général de détection de présence d'une cible et de détermination de l'angle a susmentionné, en particulier dans le cas où on ne fait pas d'hypothèse sur les dimensions de la ligne de capteurs.
A titre d'exemple, les points de la région observée sont repérés par des angles a et β et une distance p tels que définis dans la section 1 ci-dessus, la direction capteurs-cible et la distance capteurs-cible étant définis par rapport à un point central de la ligne de paires de capteurs.
A une étape 300 de maillage (MESH) , des couples de valeurs de l'angle β et de la distance p sont définis. Ces couples peuvent correspondre à des points d'un maillage du plan des axes 204 et 208 (plan de la figure 2A) . Pour chacun de ces couples de valeurs β et p, on définit des angles -j_ parmi lesquels on recherche l'angle a. On obtient ainsi un maillage de la région observée. Un exemple d'une telle étape de maillage sera décrit plus en détail ci-après en section 2.1 (figures 4A et 4B) . L'étape de maillage peut avoir été prévue à l'avance, par exemple pendant la programmation de l'unité de traitement, et être ainsi commune aux diverses mises en oeuvre du procédé.
A une étape 302 (MEASURE) , on mesure, comme ceci a été décrit précédemment, les déphasages Δφ^ pour les diverses paires de capteurs. On peut en outre mesurer les amplitudes Les étapes suivantes du procédé sont réalisées pour chaque couple de valeurs β et p.
A une étape 304 (COMPUTE-¾) , pour chaque paire 202-k de capteurs et pour chaque angle -j_, on calcule une valeur complexe ¾ déf
où j représente l'unité imaginaire. A titre d'exemple, dans le cas d'une ligne de capteurs quasi-ponctuelle, les déphasages théoriques Δφ'^ sont définis par la relation :
2π /B \
Δφ k—Ai — cos cos
On peut, à titre de variante, choisir pour les déphasages théoriques Δφ ' ^ d'autres valeurs différant de celle de la relation (3) d'une valeur commune à toutes les paires de capteurs .
A une étape 306 (SUM) , pour chaque angle ¾, on calcule la somme des valeurs complexes ¾ pour les diverses paires de capteurs.
A une étape 308 (MAX) , on choisit comme angle a l'angle -j_ pour lequel la somme des valeurs ¾ a le module maximal . La présence de la cible peut être détectée lorsque ce module maximal est supérieur à un seuil. A titre de variante, à l'étape 308, on recherche l'angle a par itérations successives.
Pour chacun des couples de valeurs β et p, l'angle a obtenu est celui, unique, pour lequel les différences entre déphasages mesurés se comparent le mieux aux différences entre déphasages théoriques. Le procédé de la figure 3 permet ainsi de déterminer une unique surface de repérage, en particulier sans faire d'hypothèse sur la longueur de la ligne de paires de capteurs. Les sections suivantes 2.1 à 2.6 présentent plus en détail divers exemples et variantes des étapes du procédé général décrit ici.
2.1 Exemple d'étape de maillage.
On cherche ici à définir un maillage permettant de mettre en oeuvre le procédé de la figure 3 de manière simple et
FEUILLE INCORPOREE PAR RENVOI (REGLE 20.6) rapide, sans limiter la résolution avec laquelle la cible est repérée .
Les figures 4A et 4B illustrent schématiquement un exemple de l'étape de maillage de la région observée 206 du dispositif 200 des figures 2A et 2B. La figure 4A est une vue en coupe dans le plan A-A des axes 204 et 208. La figure 4B est une vue de face. A titre d'exemple, le point de rencontre 402 des axes 203 et 204 est situé au centre du capteur 202M-k0, où l'indice kO est égal à Np/2.
Comme mentionné ci-dessus, on réalise un maillage du plan des axes 204 et 208. Pour cela, on définit d'abord un ensemble de distances p des points du maillage au point 402, par exemple à un pas régulier Ar. Le maillage comprend, pour chaque distance p, un point 404A situé sur l'axe d'observation à la distance p du point 402. Pour chacun des points 404A, le maillage comprend des points 404A' situés dans le plan de la figure 4A, à la même distance de l'axe 204 que le point 404A, chaque point 404A' correspondant à une des distances p.
Pour chaque point 404A ou 404A', le maillage de la région observée comprend des points 404B, visibles en figure 4B, pour lesquels la distance p (du point 402 au point considéré) et l'angle β (entre l'axe 204 et la direction du point 402 au point considéré) sont les mêmes. Chaque point 404B du maillage est associé à un des angles -j_ susmentionnés (entre l'axe 203 et la direction du point 402 au point 404B) . Les points 404B peuvent être régulièrement espacés, par exemple au pas Ar.
On a ainsi obtenu un maillage régulier de la région observée qui permet d'exécuter le procédé de la figure 3 de manière simple et rapide. En outre, le maillage obtenu est particulièrement adapté pour mettre en oeuvre les étapes de la section 2.3 ci-dessous (figures 6A à 6D) de repérage de la cible avec une résolution élevée, par exemple proche de la moitié de la longueur d'onde. On choisira alors pour le pas Ar une valeur de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde.
2.2 Repérage d'une cible à partir du temps de vol des ultrasons . On cherche ici à limiter la surface de repérage 214 dans laquelle une cible peut se trouver. Pour cela on détermine une partie de la surface 214, pour laquelle le temps de vol théorique des ultrasons correspond au temps de vol mesuré.
Le générateur 212 est prévu pour émettre les ultrasons par impulsions. A titre d'exemple, l'unité de traitement 210 met en oeuvre un procédé similaire à celui de la figure 3, dans lequel on commence par mesurer des signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage Δφ^^) en fonction du temps, à partir desquels on détermine ensuite l'amplitude mesurée ¾ et le déphasage mesuré Δφ^. En particulier, le procédé comprend des exemples des étapes 302 et 304 de la figure 3, décrits ici en relation avec les figures 5A et 5B.
La figure 5A est un chronogramme illustrant schématiquement des signaux ultrasonores émis, puis mesurés à l'étape 302 du procédé. La figure 5B reprend une vue de face schématique du dispositif.
Une impulsion d'ultrasons 500 de largeur AtO est d'abord émise par le générateur 212. L'instant central de l'émission de l'impulsion sert de référence de temps t=0, et le temps de vol correspond ainsi à l'instant central de réception. On a représenté en figure 5A l'enveloppe des ondes ultrasonores émises, le détail de ces ondes n'étant pas représenté.
A l'étape 302, dans chaque paire 202-k, les capteurs 202M-k et 202S-k reçoivent chacun un signal ultrasonore en fonction du temps. L'unité de traitement mesure, pour chaque paire de capteurs, en fonction de l'instant de réception :
-un signal d'amplitude ¾(t) des ultrasons reçus par la paire de capteurs, par exemple l'amplitude des ultrasons reçus par le capteur 202M-k ; et
-un signal de déphasage Δφ^^) entre les ondes ultrasonores reçues par le capteur 202M-k et celles reçues par le capteur 202S-k.
Les signaux d'amplitude et de déphasage de deux (202-kl et 202-k2) des paires de capteurs sont représentés. Le signal d'amplitude de chaque paire de capteurs présente éventuellement une impulsion 502 correspondant à une cible T. Le signal de déphasage peut n'être défini que pour les valeurs 504 utiles pour la suite, qui correspondent aux instants où l'amplitude est suffisante pour que l'on puisse mesurer le déphasage .
De préférence, les signaux d'amplitude et de déphasage sont des signaux échantillonnés de valeurs ¾ (tn) et Δφ]^ (tn) , les instants de réception tn (non représentés en figure 5) étant par exemple à intervalles réguliers.
Des exemples d'étapes de mesure des signaux d'amplitude et de déphasage de chaque paire de capteurs seront décrits plus en détail ci-après, en section 2.3 (figures 6A à 6D) pour obtenir une résolution et un rapport signal sur bruit élevés, en section 2.4 (figure 7) pour distinguer la cible d'une paroi, et en section 2.5 (figure 8) dans le cas d'une eau turbulente et/ou turbide.
A l'étape 304, pour chaque point 404 du maillage, et pour chaque paire de capteurs, on calcule le temps de vol théorique t]^ des ultrasons pour parvenir à la paire de capteurs, par exemple au capteur 202M-k.
On note que, dans le cas où le générateur 212 est situé parmi les capteurs, les distances p des points du maillage aux capteurs sont associées à des temps de vol théoriques ce qui permet des calculs des temps de vol faciles. Dans le cas où le générateur 212 n'est pas situé parmi les capteurs, on pourra de préférence définir un maillage tel que celui de la section précédente 2.1, dans lequel les diverses distances p des points du maillage sont remplacées par diverses distances générateur- cible-capteurs parcourues par les ultrasons. Ceci permet de réaliser facilement les calculs des temps de vol.
Pour obtenir ensuite l'amplitude et le déphasage mesurés, on peut donner la valeur ¾ (¾) à l'amplitude ¾ mesurée et la valeur Δφ^ (¾) au déphasage Δφ^ mesuré. Dans le cas de signaux échantillonnés, on peut prendre pour l'amplitude 1]^ et le déphasage Δφ]^ mesurés les valeurs respectives ¾ (tn) et ^k^n pour l'instant de réception tn le plus proche du temps de vol théorique
La valeur complexe ¾ peut ensuite être calculée de la manière décrite en relation avec la figure 3 (relation (2)) en utilisant les valeurs mesurées d'amplitude ¾ et de déphasage Δφ^ ainsi déterminées. La valeur complexe ¾ peut aussi être déterminée, à partir des signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage AcJ^t), d'une manière décrite ci-dessous en section 2.6 (figure 9) .
On met ensuite en oeuvre les étapes 306 et 308 de la figure 3.
Le procédé de la présente section 2.2 permet d'établir que la cible se trouve dans une partie limitée 504 de la surface 214 déterminée précédemment.
2.3 Repérage à résolution élevée.
On cherche à repérer avec une résolution élevée une cible pouvant être peu réfléchissante. Pour cela, on met en oeuvre le procédé de la section précédente 2.2, dans lequel on utilise une variante de l'étape de mesure des signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage AcJ^t) des diverses paires de capteurs, permettant d'obtenir ces signaux avec une résolution et un rapport signal sur bruit élevés.
Les figures 6A à 6D sont des chronogrammes illustrant des exemples d'étapes mises en oeuvre par un dispositif de détection et de repérage d'une cible du type de celui des figures 2A et 2B. Ces étapes permettent de déterminer des signaux échantillonnés d'amplitude ¾(t) et de déphasage AcJ^t) mesurés pour une, 202-k, des paires de capteurs.
A une étape initiale non représentée, une impulsion d'ultrasons est générée. L'impulsion est un train d'ultrasons de fréquence croissante en fonction du temps. A titre d'exemple, la fréquence balaye la plage des fréquences comprises entre 300 kHz et 1,2 MHz. A titre d'exemple, la durée totale de l'impulsion est comprise entre 0,5 ms et 2 ms, par exemple 1 ms .
A l'étape de la figure 6A, chaque capteur de la paire
202-k reçoit un signal ultrasonore. Le capteur 202M-k reçoit un signal RMO et le capteur 202S-k reçoit un signal RSO, en fonction du temps t. Un train d'ultrasons réfléchi par une cible éventuelle parvient aux deux capteurs à des instants tM et tS (au centre des impulsions reçues) . Les instants tM et tS présentent un décalage en fonction de la position de la cible. En pratique, la durée de l'impulsion est très supérieure au décalage entre les instants tM et tS.
Les signaux RMO et RSO sont ensuite échantillonnés. Chaque échantillon RMO (tn) ou RSO (tn) correspond à un instant de réception tn des ultrasons par le capteur correspondant. A titre d'exemple, la fréquence d'échantillonnage l/At du signal RMO est sensiblement égale à 4 fois la fréquence centrale de l'impulsion. A titre d'exemple, les fréquences d'échantillonnage sont identiques pour les signaux échantillonnés RMO et RSO. A titre de variante, la fréquence d'échantillonnage du signal RSO est supérieure à celle du signal RMO, par exemple 8 fois supérieure .
Pour chacun des signaux RMO et RSO, on détermine ensuite par transformation de Hilbert, un signal complexe échantillonné, respectivement RM1 et RS1. Pour chaque échantillon RM1 (tn) ou RS1 (tn) , le module et l'argument correspondent respectivement à l'amplitude et à la phase relative des ultrasons reçus.
A l'étape de la figure 6B, on obtient des signaux complexes échantillonnés RM2 et RS2, par filtrage adapté de chacun des signaux RM1 et RS1.
A titre d'exemple, le filtrage adapté de RM1 ou RS1 consiste, pour chaque temps de vol tn, à mettre en oeuvre la relation :
NI
R2(tn) = ^ RI (tn+n- ) fl (tn-)At (4)
n=-Nl
où RI est le signal RM1 ou RS1,
R2 est le signal RM2 ou RS2, et
fl est un signal complexe échantillonné représentatif des ultrasons émis par le générateur entre des instants t_Ni et ¾1' échantillonné à la fréquence l/At et obtenu par transformée de Hilbert.
Le signal fl peut correspondre directement au signal émis, ou à un signal reçu par l'un des capteurs après propagation dans l'eau, par exemple mesuré au cours d'une phase de préréglage du dispositif. A titre de variante, le signal fl peut être un signal de référence de filtre adapté obtenu de la manière décrite en relation avec la section II et la figure 2 du document "Référence Sélection for an Active Ultrasound Wild Salmon Monitoring System", de Vasile G. et al., MTS/IEEE North American OCEANS conférence, Washington DC, USA, publié en 2015.
Le filtrage adapté a pour effet de concentrer autour d'un même instant, tM pour le signal RM2, et tS pour le signal RS2, les ultrasons réfléchis par une cible. On obtient alors des impulsions 502 dans chacun des signaux. A titre d'exemple, la largeur des impulsions est de l'ordre de la durée At, par exemple de sorte que dans chaque signal l'impulsion 502 ne concerne significativement qu'un ou deux échantillons. Pour chaque échantillon RM2 (tj[) ou RS2 (tg) , le module et l'argument sont représentatifs respectivement de l'amplitude et de la phase relative des ultrasons réfléchis par la cible.
A l'étape de la figure 6C, à chaque échantillon RM2 (tn) du signal RM2, on associe l'échantillon RS2(tn i ) pour lequel le signal RS2 présente la meilleure corrélation avec le signal RM2. On obtient un signal complexe échantillonné défini par la relation RS3 (tn) = RS2(tn i ) . On a ainsi formé un couple d'échantillons RM2 (tn) , RS3 (tn) pour chaque instant de réception tn. A titre d'exemple, la corrélation est sur une période de durée At2, centrée sur l'échantillon RM2 (tn) pour le signal RM2 et sur l'échantillon RS2(tn pour le signal RS2.
A titre de variante, le signal RS2 peut être suréchantillonné, par exemple d'un facteur 8, avant l'étape de la figure 6C, ou le signal RS2 peut avoir conservé la fréquence d'échantillonnage du signal RS0 dans le cas où cette fréquence est plus élevée que celle du signal RMO. A titre d'exemple, le signal RS3 peut être déterminé, dans le cas présent d'impulsions ultrasonores, d'une manière similaire à celle décrite pour des impulsions radar en section 1.3 page 17 du document "Imagerie Radar à Synthèse d'Ouverture interférométrique et polarimétrique", Thèse de doctorat de Vasile G., Université de Savoie, France, 2007.
A l'étape de la figure 6D, on détermine les signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage AcJ^t) mesurés. A titre d'exemple, chaque valeur ¾ (tn) est représentative des modules des échantillons RM2 (tn) et RS3 (tn) , par exemple la moyenne des modules. A titre d'exemple, chaque valeur Δφ^^η) est la différence entre arguments des échantillons RS3 (tn) et RM2 (tn) . Un autre exemple de détermination des signaux ¾(t) et AcJ^t) à partir des signaux RM2 et RS3 sera décrit ci-dessous en section 2.5 (figure 8) .
Un avantage des étapes 6A à 6D est qu'elles permettent la mise en oeuvre du filtrage adapté. Du fait du filtrage adapté, les signaux d'amplitude et de déphasage ainsi mesurés ont un rapport signal sur bruit amélioré, permettant le repérage d'une cible réfléchissant peu les ultrasons. En outre, le filtrage adapté permet une résolution élevée.
La mise en oeuvre des étapes de la présente section 2.3 (figures 6A à 6D) dans le procédé de la section 2.2 (figures 5A et 5B) permet donc de repérer avec une résolution élevée des cibles réfléchissant peu les ultrasons.
Par ailleurs, un avantage de l'utilisation de gros capteurs est qu'ils permettent un rapport signal sur bruit et une résolution particulièrement élevés, du fait que de tels capteurs ont des plages de fréquence particulièrement larges. En effet, le filtrage adapté permet un rapport signal sur bruit et une résolution d'autant plus élevés que la plage de fréquences balayée par le train d'ultrasons est large. On peut ainsi obtenir une résolution de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde centrale des ultrasons.
Ainsi, un dispositif de repérage du type de celui des figures 2A et 2B dont les capteurs sont gros, et mettant en oeuvre le procédé de la section 2.2 (figures 5A et 5B) comprenant les étapes de la présente section 2.3 (figures 6A à 6D) , permet de repérer des cibles réfléchissant peu les ultrasons avec une résolution particulièrement élevée.
2.4 Détection et repérage d'une cible en présence d'une paroi
On cherche ici à détecter de manière fiable la présence d'une cible, et à limiter encore la surface sur laquelle la cible est susceptible de se trouver, et cela même en présence d'une paroi délimitant la région observée. On cherche en outre à exprimer les positions possibles de la cible d'une manière simple.
Pour cela, on met en oeuvre une étape optionnelle qui utilise par exemple les signaux RS2 et RS3 déterminés à la section précédente 2.3.
La figure 7 est une vue de côté d'une paire 202-k de capteurs, illustrant un exemple d'une étape optionnelle mise en oeuvre par un dispositif de repérage d'une cible. A titre d'exemple, on a positionné le dispositif pour que le plan des capteurs (des axes 203 et 204) soit parallèle à une paroi 600 telle que le fond d'une rivière. La paroi 600 correspond à une droite 601 dans le plan de la figure (c'est-à-dire dans le plan d'un axe 204-k passant par les deux capteurs et d'un axe 208-k parallèle à l'axe d'observation passant par le capteur 208M-k) .
Pour chaque échantillon RS3 (tn) du signal RS3 déterminé à l'étape de la section précédente 2.3, figure 6C, on détermine sur la droite 601 le point 602 pour lequel le temps de vol correspond au temps de réception tn. On calcule alors une valeur Ai|¾(tn) représentative du déphasage théorique A6'k(tn) pour le point 602.
A titre d'exemple, pour une paire de capteurs quasi- ponctuelle et une distance paire-générateur quasi-ponctuelle à l'échelle de la distance capteurs-cible, et pour repérer une cible proche du point 604 de rencontre entre l'axe d'observation 208-k et la paroi 600 (c'est-à-dire une distance cible-point 604 beaucoup plus petite que la distance capteurs-cible, par exemple plus de 20 fois plus petite) , on peut calculer les valeurs à partir de la relation suivante :
où PQ est la distance entre le capteur 202M-k et le point 604, f est la fréquence centrale des impulsions ultrasonores, et comme décrit précédemment, Θ est l'angle entre les axes 208 et 204 et B est la distance entre les capteurs 202M-k et 202S-k.
On note que les valeurs Δψ^ (tn) calculées d'après la relation (5) correspondent au déphasage théorique pour le point 602 auquel on a ajouté une valeur constante ψθ, égale à Δψ]^ (t 604 ) -B cos Θ, où t604 est le temps de vol théorique pour le point 604. A titre de variante, pour obtenir la valeur Δι|¾ (tn) , on peut ajouter toute valeur constante, c'est-à-dire ne dépendant pas de tn, au déphasage théorique Ap'k(tn) pour le point 602.
On obtient ensuite un signal complexe échantillonné RS3 ' à partir du signal RS3 en ajoutant la valeur Δψ^ (tn) à l'argument de chaque échantillon RS3 (tn) . Après cela, on détermine un signal de déphasage Apl^t) à partir des signaux RS3 ' et RM2, par exemple d'une manière similaire à celle permettant de déterminer le signal de déphasage Δφ^^) à partir des signaux RM2 et RS3, décrite en section précédente 2.3, figure 6D. A titre de variante, le signal de déphasage Apl^t) peut aussi être déterminé d'une manière similaire à celle décrite ci-dessous en section 2.5.
La présence de la cible T devant la paroi peut alors être détectée lorsque l'une, Δφ1^^ηο), des valeurs Δφ1]^^η) du signal Δφΐ]^^) s'écarte significativement des autres valeurs de ce signal, par exemple de plus de 10%. En effet, la valeur Δφ1]^^ηο) obtenue pour une paire de capteurs ne dépend que de la distance r de la cible à la paroi 600, et la valeur Δφ1]^^ηο) correspond à la cible tandis que les autres valeurs Δφ1]^^η) correspondent à la paroi. La présence d'une cible est détectée de manière fiable, même en présence d'une paroi réfléchissant les ultrasons.
De plus, on peut déterminer la distance r à la paroi d'une cible proche du point 604. Pour cela, on peut utiliser la valeur Δφ1^^ηο). En effet, cette valeur ne dépend significativement que de la distance r.
En outre, bien qu'une paroi soit présente ici à titre d'exemple, on peut à titre de variante repérer la cible par sa distance à d'autres surfaces, telles que, dans le cas d'une distance générateur-capteur quasi-ponctuelle, un cylindre de rayon rO et d'axe l'axe 204-k. La droite 601 est alors située à la distance rO de l'axe 204-k. En effet, la valeur Δφ1^^ηο) ne dépend significativement que de la distance entre la cible et l'axe 204-k. En particulier, la valeur constante ψθ mentionnée ci-dessus permet que la valeur Δφ1^^ηο) soit nulle lorsque la cible est sur le cylindre, et la distance entre la cible est le cylindre est alors particulièrement simple à obtenir.
Par ailleurs, après avoir déterminé le signal de déphasage Δφΐ]^^) pour les diverses paires de capteurs, on peut repérer la cible en mettant ensuite en oeuvre des étapes similaires aux étapes 304, 306 et 308 de la figure 3, de préférence les exemples de ces étapes décrits en section 2.2, en utilisant les valeurs Δφΐ]^ (tn) à la place des déphasages Δφ]^^η), et en utilisant des valeurs théoriques Δφ1']^^η) à la place des déphasages théoriques Δφ]^'^η). Les valeurs théoriques
Δφ1']^^η) sont obtenues à partir des déphasages théoriques Δφ]^' (tn) de la même manière que pour obtenir les valeurs Δφΐ^ (tn) à partir des déphasages Δφ]^^η) mesurés. On obtient la même surface 214 que précédemment, dans laquelle les positions possibles de la cible sont exprimées en fonction de la distance à l'axe 204, à la place de l'angle β plus difficile à utiliser. Le maillage décrit à la section 2.1 est particulièrement adapté pour exprimer ainsi les positions possibles de la cible.
L'étape optionnelle de la présente section 2.4 permet ainsi de détecter de manière fiable la présence d'une cible, et/ou de limiter la surface sur laquelle la cible est susceptible de se trouver, et cela même en présence d'une région observée délimitée par une paroi. Cette étape permet en outre d'exprimer les positions possibles de la cible d'une manière simple .
2.5 Mesure de l'amplitude et du déphasage des ultrasons en milieu turbulent ou turbide
On cherche ici à repérer une cible de manière fiable et précise lorsque l'eau est turbulente et/ou turbide, et/ou lorsque la cible se déplace. Pour cela, dans un procédé mettant en oeuvre pour chaque paire de capteurs les étapes de la section
2.3 (figures 6A à 6D) , et éventuellement de la section 2.4 (figure 7), on utilise pour obtenir les signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage Δφ^^) une variante de l'étape de la figure 6D .
La figure 8 est un chronogramme illustrant de manière schématique un exemple d'obtention, pour une paire de capteurs 202-k, de signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage AcJ^t) à partir du signal RM2 et par exemple du signal RS3 de l'étape de la section 2.3, figure 6C. A titre de variante, on peut utiliser à la place du signal RS3 le signal RS3' de l'étape de la section
2.4 (figure 7) .
Pour chaque instant de réception tn i , on forme un vecteur V(tn des échantillons RM2(tn i ) et RS3(tn , c'est-à- dire :
Pour chaque instant de réception tn on sélectionne N2 instants de réception tn i consécutifs les plus proches de l'instant tn, situés entre des instants A titre d'exemple, l'entier N2 est commun à tous les instants de réception. On détermine ensuite une matrice Cov(tn) de covariance (de dimension 2x2) des vecteurs V(tn') sélectionnés.
A titre d'exemple, on recherche la matrice Cov(tn), pour des signaux correspondant à des ultrasons, de la manière décrite pour des ondes radar en section IIC, paragraphe 2 et équation [13] du document "Stable scatterers détection and tracking in heterogeneous clutter by repeat pass SAR interferometry" de G. Vasile et al., Asilomar Conférence on Signais, Systems, and Computers, Pacific Grove, California, USA, p 1343-1347, publiée en 2010. Ainsi, la matrice Cov(tn) peut être trouvée comme solution de l'équation :
où VH (tn) est le vecteur transposé complexe conjugué du vecteur VH (tn) , et Cov~l (tn) est la matrice inverse de la matrice Cov(tn). Pour trouver cette solution, on peut procéder par itérations successives. La matrice de covariance peut aussi être déterminée par d'autres méthodes connues.
Ensuite, pour chaque instant de réception, on détermine la valeur d'amplitude mesurée ¾ (tn) par la relation :
Ik { nJ = YH(it½ i} - Cov" 1 (t n ) . V(tn i ) (8)
et on détermine, comme déphasage mesuré Δφ^^η), l'argument de l'élément Cov]_2 (tn) (1ère ligne, 2eme colonne) de la matrice Cov (tn) .
Les signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage Δφ^^) mesurés, ainsi déterminés pour chaque paire de capteurs d'un dispositif du type de celui des figures 2A et 2B, permettent, lorsqu'on utilise ces signaux par exemple dans un procédé du type de celui de la section 2.2, de repérer une cible de manière particulièrement fiable dans une eau pouvant être turbulente et/ou turbide, même pour une cible en mouvement.
Chaque valeur 1^ (tn) ainsi obtenue est représentative des modules des échantillons RM2(tni) et RS3(tni) sélectionnés autour de l'instant tn. A titre de variante, on peut choisir pour la valeur 1^ (tn) toute valeur représentative des modules des échantillons sélectionnés, par exemple une valeur moyenne de ces modules. En outre, chaque valeur Δφ^ (tn) obtenue ici est représentative des différences entre les arguments de chaque couple RM2(tni), RS3(tni) d'échantillons sélectionnés. A titre de variante, on peut choisir pour la valeur Δφ]^^η) toute valeur
FEUILLE INCORPOREE PAR RENVOI (REGLE 20.6) représentative de ces différences, par exemple la valeur moyenne des différences entre arguments des couples sélectionnés.
A titre de variante, l'unité de traitement est en outre adaptée à mettre en oeuvre un signal E(t) de corrélation de phase dont chaque valeur E (tn) est définie par la relation :
où représente le module. Le dispositif peut alors détecter la présence de la cible T lorsque l'une E(tnQ) des valeurs du signal de corrélation de phase est supérieure à un seuil, par exemple 0,3. La présence de la cible peut aussi être détectée lorsque l'une des valeurs du signal de corrélation s'écarte significativement des autres des valeurs de ce signal, par exemple, s'écarte de plus de 0,1. L'utilisation d'un signal de corrélation statistique entre signaux reçus par les deux capteurs, tel que le signal E(t), permet de détecter la présence d'une cible de manière particulièrement fiable. En particulier, on peut détecter de manière particulièrement fiable la présence d'une cible pouvant être peu réfléchissante et/ou en mouvement en milieu turbulent et/ou turbide.
Dans la présente section 2.5, l'étape de détermination des signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage Ac (t) pour chaque paire de capteurs permet ainsi de repérer en milieu turbulent et/ou turbide une cible pouvant être en mouvement.
2.6 Repérage en milieu turbulent et/ou turbide
On cherche ici à obtenir un dispositif du type de celui des figures 2A et 2B, permettant un repérage fiable et précis lorsque l'eau est turbulente et/ou turbide, et/ou lorsque la cible éventuelle est en mouvement. Pour cela, dans un procédé de repérage à partir du temps de vol du type de celui de la section 2.2, on utilise une variante de l'étape 304, dans laquelle la relation (2) fournissant la valeur complexe ¾ est remplacée par une étape de calcul décrite ci-après.
La figure 9 est un chronogramme illustrant un exemple d'un calcul de la valeur complexe ¾ de l'étape 304 pour chaque point d'un maillage, à partir des déphasages théoriques Δφ'^ et des signaux d'amplitude ¾(t) et de déphasage Δφ^^). Les signaux d'amplitude et de déphasage ont été représentés pour deux paires 202-kl et 202-k2 de capteurs. De préférence, les signaux ¾(t) et Δφ^^) ont été obtenus à une étape du type de celle de la section précédente 2.5 (figure 8). Le calcul décrit ici est du type de celui décrit dans le document "High- resolution frequency-wavenumber spectrum analysis" de J. Capon, paru en 1969 dans Proceedings of the IEEE, vol 57(8), 1408-1418.
Comme mentionné en relation avec la figure 3, pour chaque paire de capteurs 202-k, on calcule le temps de vol tj^ des ultrasons jusqu'à la paire de capteurs. On sélectionne ensuite N3 instants de réception ¾+n i consécutifs les plus proches de l'instant situés entre des instants ¾_N3/2 et
¾+Ν3/2, l'indice n' variant entre -N3/2 et N3/2. N3 est par exemple supérieur à k au carré .
Pour chacune des N3 valeurs de l'indice n', on forme un vecteur VI (η') de Np valeurs complexes C¾ ayant ¾(¾+η') pour module et Δ (t^+n ι ) pour argument, c'est-à-dire :
où j est l'unité imaginaire.
On calcule ensuite la matrice Covl de covariance des N3 vecteurs VI (η'). La matrice Covl peut être calculée d'une manière similaire à celle décrite en relation avec la figure 8.
On forme en outre un vecteur νφ ' des Np valeurs complexes unitaires ayant pour arguments les déphasages théorique Δφ'^, c'est-à-dire :
On calcule alors le vecteur transposé V2, de dimension défini par la relation :
FEUILLE INCORPOREE PAR RENVOI (REGLE 20.6) νφ'Η.0ον1_1
V2 = (12)
νφ'Η.0ον1_1. Υφ
où le νφ ' " est le vecteur transposé complexe conjugué du vecteur νφ ' , et Covl~l est l'inverse de la matrice Covl .
Pour chaque paire k, la valeur complexe Ck est alors calculée à partir de la relation :
V2k exp (j.A<|>k(tk)) (13)
où V2k est la kième composante du vecteur V2.
Après la mise en oeuvre des étapes 306 et 308 avec les valeurs complexes ¾ ainsi obtenues, la cible éventuelle est repérée de manière particulièrement fiable et précise lorsque l'eau est turbulente et/ou turbide, et/ou lorsque la cible est en mouvement .
La valeur complexe ¾ obtenue ici pour chaque paire de capteurs a son module représentatif de l'intensité des ultrasons reçus et son argument représentatif de la différence entre déphasage mesuré et déphasage théorique. A titre de variante, on peut calculer des valeurs complexes ¾ par tout autre type de corrélation statistique adaptée entre signaux reçus par les divers capteurs aux instants proches des temps de vol théoriques, par exemple en combinant les valeurs de V2k obtenues pour plusieurs valeurs de N3. En outre, on peut ici utiliser des corrélations statistiques permettant de mesurer la vitesse de la cible, en mettant par exemple en oeuvre les étapes suivantes :
- choisir un ensemble de vitesses u parmi lesquelles on recherche celle de la cible ;
- pour chaque vitesse u, calculer les corrélations statistiques V2 et les valeurs complexes ¾ de la manière décrite ci-dessus en remplaçant la relation (11) par la relation
où λ est la longueur d'onde centrale des ultrasons ;
FEU I LLE I NCORPOREE PAR RENVOI (REG LE 20.6) - à l'étape 306, pour chaque vitesse u, calculer la somme des valeurs complexes ¾ pour les divers capteurs ; et
- à l'étape 308, pour chaque point où la cible est repérée, choisir comme vitesse mesurée de la cible la vitesse u pour laquelle la somme est maximale.
On a décrit ici des étapes permettant de repérer en milieu turbulent et/ou turbide une cible pouvant être en mouvement . Un procédé du type de celui de la figure 3 peut mettre en oeuvre les étapes des sections 2.2, 2.3, 2.5 (éventuellement après celle de la section 2.4) pour déterminer les signaux d'amplitude et de déphasage mesurés pour chaque paire de capteurs, et l'étape de la section 2.6 pour repérer la cible à partir des signaux d'amplitude et de déphasage des diverses paires de capteurs. On obtient une détection et/ou un repérage particulièrement fiable en milieu turbulent et/ou turbide, et on peut en outre mesurer la vitesse d'une cible éventuelle .
3 Autres modes de réalisation
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que des dispositifs décrits ci- dessus comprennent une seule ligne de paires de capteurs, on peut prévoir des dispositifs comprenant plusieurs lignes de paires de capteurs.
La figure 10 est une vue de face d'un exemple de dispositif 700 de repérage d'une cible comprenant deux lignes 702A et 702B de paires 202 de capteurs.
Les lignes de paires de capteurs sont parallèles l'une à l'autre de part et d'autre d'une région observée 704. A titre d'exemple, les capteurs de chaque paire sont dans une direction commune orthogonale aux axes 203 des lignes (c'est-à-dire orthogonale au plan de la figure 10) . Ainsi, un seul capteur de chaque paire est visible en figure 10.
Un générateur 212A d'ultrasons est disposé à proximité de la ligne 702B, par exemple à une distance comprise par exemple entre 5 cm et 20 cm. Un générateur 212B d'ultrasons est situé à proximité de la ligne 702A.
A titre d'exemple, la distance entre les deux lignes est supérieure à 1 m, par exemple comprise entre 1 et 50 m.
En fonctionnement, des ultrasons sont d'abord émis par le générateur 212A, et ces ultrasons réfléchis par des cibles éventuelles sont reçus par les capteurs de la ligne 702A. Une unité de traitement 210' met alors en oeuvre un procédé par exemple du type de celui de la figure 3, pour repérer ces cibles éventuelles à partir des différences entre déphasages pour les diverses paires de capteurs de la ligne 702A.
Des ultrasons sont émis ensuite par le générateur 212B, et ces ultrasons réfléchis par des cibles éventuelles sont reçus par les paires de capteurs de la ligne 702B. L'unité de traitement 210' met alors à nouveau en oeuvre un procédé, par exemple du type de celui de la figure 3, utilisant les différences entre déphasages pour les diverses paires de capteurs de la ligne 702B.
Un avantage d'utiliser deux lignes de capteurs est qu'on évite d'éventuels effets de masquage d'une cible par une autre ou par d'éventuels obstacles présents dans la région observée. On obtient ainsi une détection améliorée des cibles.
A titre de variante, après chaque émission d'ultrasons par le générateur 212A ou le générateur 212B, l'unité de traitement peut utiliser les signaux ultrasonores reçus par les deux lignes 702A et 702B, et établir que la cible se trouve parmi les positions possibles communes déterminées pour la ligne 702A et pour la ligne 702B.
De plus, on peut prévoir des modes de réalisation comprenant deux lignes de paires de capteurs, ou plus, par exemple orientées dans des directions différentes, permettant de repérer la cible précisément, en particulier en présence d' obstacles .
En outre, des modes de réalisation comprenant plusieurs générateurs pour une seule ligne de capteurs peuvent être utilisés. A titre d'exemple, un dispositif du type de celui des figures 2A et 2B peut comprendre deux générateurs disposés de part et d'autre de la ligne, par exemple sur l'axe 204, ou à proximité des extrémités de la ligne de paires de capteurs, par exemple sur l'axe 203.
Bien qu'un maillage ait été décrit en section 2.1 (figures 4A et 4B) , tout autre maillage de la région observée est possible.
Bien que des impulsions ultrasonores de fréquences croissantes aient été décrites, on peut utiliser des impulsions de fréquences décroissantes, ou tout autre type d'impulsion adapté à la mise en oeuvre d'un filtrage adapté.
Divers procédés de repérage d'une cible éventuelle ont été décrits ici à titre d'exemple. On notera que ces procédés peuvent être utilisés pour repérer plusieurs cibles. En outre, les procédés décrits peuvent être adaptés pour inclure tout procédé de détection de la présence d'une ou plusieurs cibles à partir des signaux reçus par les capteurs .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de repérage d'une cible (T) , comprenant :
un générateur d'ultrasons (212) susceptibles d'être réfléchis par la cible ;
des paires (202-k) de premier (202M-k) et deuxième capteurs répétées dans une première direction (203) , les premier et deuxième capteurs de chaque paire étant disposés dans une deuxième direction (204) différente de la première direction ; et
une unité de traitement (210) adaptée à :
a) pour chaque paire de capteurs, mesurer le déphasage (Δφ^) entre les ultrasons reçus par le premier capteur et par le deuxième capteur ; et
b) établir que la cible se trouve dans une surface (214) correspondant aux différences (Δ(Δφ]^)) entre déphasages mesurés .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comprend :
pour chaque point (404) d'un maillage d'une région observée (206), calculer un déphasage théorique (Δφ'^) pour chaque paire de capteurs ;
comparer les différences entre déphasages théoriques (Δφ'^) aux différences entre déphasages mesurés (Δφ^) ; et
établir que la cible (T) se trouve parmi les points (404) pour lesquels la comparaison est la meilleure.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les paires (202-k) de capteurs sont répétées à un pas (A]_) supérieur à 4 fois la longueur d'onde (λ) des ultrasons, et les premier (202M-k) et (202S-k) deuxième capteurs de chaque paire sont disposés à une distance centre à centre (B) supérieure à 4 fois la longueur d'onde des ultrasons.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape a) comprend une mesure de l'amplitude (¾) des ultrasons reçus par chaque paire de capteurs, et l'étape b) comprend :
bl) pour chaque point (404) du maillage, calculer pour chaque paire (202-k) de capteurs une valeur complexe (¾) dont le module est représentatif de l'amplitude mesurée (¾) et l'argument est représentatif des différences entre déphasages mesurés (Δφ^) et déphasages théoriques (Δφ'^) ;
b2) calculer pour chaque point (404) du maillage une somme S des valeurs complexes (¾) des diverses paires de capteurs (202-k) ; et
b3) sélectionner les points du maillage pour lesquels la somme S a le module maximal.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel : les ultrasons sont émis par impulsions (500) ; à l'étape a), pour chaque paire de capteurs (202-k), le déphasage (Δφ^^)) et l'amplitude (I]^(t)) mesurés sont mesurés en fonction du temps ; et
l'étape b) comprend la détermination de la partie
(504) de ladite surface (214) pour laquelle les temps de vol (t]^) des impulsions vers les diverses paires correspondent aux instants de réception des impulsions.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'étape bl) comprend pour chaque point (404) du maillage :
bll) calculer pour chaque paire (202-k) de capteurs un temps de vol théorique (¾) des ultrasons jusqu'à la paire de capteurs ; et
bl2) pour chaque paire de capteurs, sélectionner le déphasage (Δφ^ (¾) ) et l'amplitude (¾(¾)) mesurés des ultrasons reçus à 1 ' instant correspondant au temps de vol théorique.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'étape bl2) comprend :
calculer des valeurs de corrélation (V¾) entre les ultrasons reçus par les diverses paires de capteurs pendant des intervalles de temps (t]^-N3/2' ¾+N3/2) centrés sur les temps de vol théoriques (¾) ; et donner aux dites valeurs complexes (¾) des modules représentatifs des valeurs de corrélation (V¾) .
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, dans lequel chaque impulsion (500) est un train d'ultrasons de longueurs d'onde (λ) décroissantes en fonction du temps ou croissantes en fonction du temps, et l'étape a) comprend pour chaque paire de capteurs (202-k) :
al) recevoir et échantillonner des premier (RMO) et deuxième (RSO) signaux ultrasonores par les premier (202M-k) et deuxième (202S-k) capteurs ;
a2) obtenir, par transformation de Hilbert de chacun des premier et deuxième signaux ultrasonores, des premier (RM1) et deuxième (RS1) signaux complexes dont chaque échantillon (RM1 (tn) , RS1 (tn) ) correspond à un instant de réception (tn) ;
a3) filtrer par filtrage adapté chacun des premier et deuxième signaux complexes ;
a4) associer à chaque échantillon (RM2 (tn) ) du premier signal complexe filtré (RM2) l'échantillon (RS2 (tn) ) du deuxième signal complexe filtré (RS2) présentant la meilleure corrélation, d'où il résulte pour chaque instant de réception (tn) un couple (RM2 (tn) , RS3 (tn) ) de premier et deuxième échantillons des premier et deuxième signaux complexes filtrés ; et
a5) pour chaque instant de réception (tn) , déterminer le déphasage mesuré (Δφ^ (tn) ) en soustrayant l'un à l'autre les arguments des échantillons du couple d'échantillons correspondant, et l'amplitude mesurée (Ik(tn)) à partir des modules des échantillons du couple d'échantillons correspondant.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'unité de traitement est adaptée après l'étape a4), pour une des paires de capteurs (202-k) , à :
définir une droite de référence (601) parallèle à l'axe (204-k) passant par les premier et deuxième capteurs ;
pour chaque instant de réception (tn) , obtenir une valeur de déphasage (Δφΐ^ (tn) ) représentative de la différence entre, d'une part, le déphasage mesuré (Δφ^^η)) et, d'autre part, le déphasage théorique (Δψ^ (tn) ) pour le point (602) de la droite de référence correspondant à l'instant de réception ; et déterminer la distance entre 1 ' axe des capteurs et la cible à partir de la valeur de déphasage.
10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'étape a5) comprend, pour chaque paire de capteurs et chaque instant de réception (tn) :
a6) sélectionner les couples (RM2(tn'), RS3(tn')) d'échantillons situés dans un intervalle de temps (tn-N2/2' tn+N2/2) autour de l'instant de réception considéré ;
a7) obtenir le déphasage (Δφ^^η)) en déterminant une différence moyenne entre les arguments des premier (RM2(tn')) et deuxième (RS3(tn')) échantillons des couples sélectionnés à l'étape a6) ; et
a8) mesurer l'amplitude des ultrasons (¾(!½)) en déterminant un module moyen des échantillons des couples sélectionnés à l'étape a6) .
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les capteurs (202M-k, 202S-k) sont adaptés à ne pas détecter significativement les ultrasons provenant de directions faisant un angle supérieur à 80° avec la deuxième direction (204) .
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