Improvement of soundings detection and qualification methods for bathymétric multibeam echosounders
Amélioration des méthodes de détection et de qualification des sondes pour les sondeurs multifaisceaux bathymétriques
Résumé
Multibeam echosounders (MBES) are complex sonar systems giving accurate bathymetric measurements over a wide angular sector by forming several hundreds of steered beams. This work deals with the topics of measurement qualification and the study of the possibility to take several soundings into account inside each formed beam. The definition of the quality is based on the classical estimation methods used in MBES to determine the water depth and on their variance derivation. This requires a good knowledge of the statistical properties of the acoustic signals according to the measurement conditions and the sounder settings, in order to derive the theoretical variance of the time of arrival inside each beam. Those developments define a quality estimator for each computed sounding in each beam, depending only on the acoustical signal properties. They were conducted specifically for the measurement of the time of arrival from the envelope of the amplitude signal, taking into account the impact of additive noise and the pulse length. The validation of the theoretical formulas on real data shows the relevance of the results. The study of the implementation of multidetection algorithms begins by underlining the loss of information caused by the selection of only one sounding per beam, and by observing the intrinsic measurement limitations caused by MBES antennas typical configuration. Several processing methods designed to implement a multidetection algorithm are then defined. These processes are based on the characterization of the nature of underwater target (isolated, one-dimensional, extended) and of their spectral properties. For those, a criterion relying on the "effective bandwidth" of the received signal makes it possible to distinguish real targets from noise. This finally resulted into the implementation of a multidetection algorithm which was be tested on several datasets acquired in complex underwater environments. The results obtained on real data show the interest residing in taking into account several soundings per beam. The results of this work contribute to the hydrographic performance improvement of MBES, giving a quality estimation of the acoustical measurement in real-time for each sounding and a better description of complex underwater targets.
Les sondeurs multifaisceaux (SMF) bathymétriques sont des systèmes sonars permettant une mesure bathymétrique précise sur un large secteur angulaire par la formation de plusieurs centaines de faisceaux très fins dépointés de la verticale. Les thématiques abordées dans ces travaux de thèse sont le développement de méthodes de qualification des sondes fournies par ces sondeurs, et l'étude de l'implémentation d'algorithmes permettant la détection de plusieurs cibles à l'intérieur de chaque faisceau formé. La définition de la qualité associée à chaque sonde se base sur les méthodes d'estimation de la hauteur d'eau utilisées dans les SMF et sur le calcul de leurs variances. Ceci nécessite une connaissance approfondie de la statistique des signaux acoustiques en fonction des conditions de mesure et du paramétrage du sondeur, afin d'obtenir les formules théoriques décrivant la variance du temps d'arrivée de l'onde dans chaque faisceau. Les calculs aboutissent à la définition d'une qualité pour chaque sonde dépendant uniquement des caractéristiques du signal acoustique dans le faisceau considéré. Ils ont été menés en particulier pour la mesure du temps d'arrivée à partir de l'enveloppe du signal d'amplitude de l'écho, en prenant en compte l'influence du rapport signal à bruit et de la durée du signal émis. La validation des formules théoriques obtenues sur données réelles confirme la pertinence de l'approche retenue. L'étude de l'implémentation d'algorithme de détection multiple commence par une mise en évidence de la perte d'information liée à la détection d'une seule cible par faisceau et par la visualisation des limitations intrinsèques liées à la configuration actuelle des antennes de SMF. Par la suite, une série de traitements adaptés à la définition d'un algorithme de détection multiple est proposée. Ces traitements sont notamment basés sur une différenciation du type de cibles sous-marines (cibles linéiques, surfaciques, ponctuelles) et par leur caractérisation spectrale : pour cette dernière, un critère reposant sur la longueur de "bande effective" du signal reçu permet de séparer efficacement les cibles réelles du bruit. Ceci a permis d'implémenter un algorithme de multi-détection, qui a été testé sur différents jeux de données acquises dans des environnements complexes. Les résultats obtenus sur données réelles mettent en évidence l'intérêt de la prise en compte de plusieurs cibles temporellement disjointes dans chaque faisceau. Les résultats de ces travaux contribuent à l'amélioration des performances hydrographiques des SMF bathymétriques en permettant à la fois une qualification en temps réel de la mesure acoustique ainsi qu'une meilleure description des cibles sous-marines complexes.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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