We propose, for localisation of acoustical sources and imaging, an hybrid proceeding working in real time . From array antenna

signais we make a spatial transversal filter with analog and digital electronic devices : speed is assumed by the analog part and

accuracy of angular pointing or focalisation by the digital part .On propose de localiser des sources acoustiques et d'en former une image par une méthode de traitement hybride opérant en temps rée

CALAORA (A.)

GAZANHES (C.)

SALVINI (G.)

Traitement du signal

I-Revues

JESPA 86
Imagerie en temps réel
par traitement d'antenne hybride
(1 )
Real time imaging by antenna and hybrid device
Georges SALVINI
ENSPM, U3, Saint-Jérôme, 13397 MARSEILLE CEDEX 13 .
Docteur d'État. Maître de conférence à l'ENSPM . Chargé du cours de Fonctions Électroniques. Thèmes de
recherches : 1
. Traitement du signal en temps réel par méthodes hybrides ; application à l'imagerie acoustique
par formation de voies ; réalisation du prototype de sonar SPATH en collaboration avec le LMA et l'IFREMER .
2. Techniques de transmission et de réception de signaux magnétiques dans les bandes ELF et ULF.
Albert CALAORA
CNRS, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, 31, chemin Joseph-Aiguier, 13402
MARSEILLE CEDEX 9.
Ingénieur CNRS . Équipe « Ultrasons ». Principaux thèmes d'Études : Imagerie et Holographie Acoustiques. Études
des Antennes Acoustiques et des Formations de Voies .
Claude GAZANHES
CNRS, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, 31, chemin Joseph-Aiguier, 13402
MARSEILLE CEDEX 9.
Directeur de Recherche responsable de l'Équipe de Recherche « Ultrasons» . Principaux thèmes de Recherches,
Imagerie et Tomographie Acoustique, Propagation en milieux dispersifs : milieux diphasiques et matériaux com-
posites, Simulation de problèmes d'acoustique sous-marine : Propagation modale par petits fonds marins .
RÉSUMÉ
On propose de localiser des sources acoustiques et d'en former une image par une méthode de traitement hybride opérant
en temps réel . A partir des signaux d'une antenne réseau linéaire on réalise un filtre spatial de type transversal associant des
fonctions électroniques analogiques et numériques : la partie analogique assure la rapidité et la partie numérique la précision
du pointage ou de la focalisation .
MOTS CLÉS
Acoustique, antenne, hybride, imagerie, sonar, temps réel, ultrasons.
SUMMARY
We propose, for localisation of acoustical sources and imaging, an hybrid proceeding working in real time . From array antenna
signais we make a spatial transversal filter with analog and digital electronic devices
: speed is assumed by the analog part and
accuracy of angular pointing or focalisation by the digital part .
KEY WORDS
Acoustic, antenna, hybrid, imaging, sonar, real
time, ultrasounds
.
( 1 ) Texte présenté aux 7e" Journées d'Études Sur la Propagation Acoustique, École Centrale de Lyon, 3-6 juin 1986 .
Traitement du Signal
329
volume 4 - n° 4 - 1987
1. Configuration pour la formation d'images
avec les antennes-réseaux
Cette configuration, établie sur des considérations
dérivant du principe de Huygens-Fresnel, est théori-
quement décrite par le calcul de l'amplitude complexe
d'une image V' (X,, YM, ZM) d'une distribution de
sources ponctuelles V, (X,, Ys, Zs) en ondes sphéri-
ques ou V (a, (3) en ondes planes
Image en ondes sphériques (OS)
~
	
e-3 ans
V' (YM, ZM) = [.,
E
Vs ej
Qs	
An ei
*n
f (
e
ns)
n s j k r us
t T T
sources î traitement
capteurs
propagation
lineaire
Avec
[ a ( )2
2]1/2
r« = X s
+
Ys -Y n +Zs
(pus
=K
rus,
K=2it/X
rMn =[X 2 +(YM - Yn) 2 +ZM] t/2 ,
`Vn
=
KrMn
(voir fig . 1) .
n, numéro du capteur ; a,, longueur d'onde ; s, numéro
de la source ; A n, fenêtre d'apodisation ; a, (3, cosinus
directeurs de la direction de la source .
Image en ondes planes (OP)
`7 r~,
1
E E Vs
eJ qs e-J
KYn
Rs
An
ei
KYn
PM f
(8ns)(NM) -
.% n
r T T T
sources propagation traitement
capteurs
IMAGERIE EN TEMPS RÉEL PAR TRAITEMENT D'ANTENNE HYBRIDE
Région de mise
au point
Traitement du Signal
330
où
=K15 Yu =2n(n-1)dsinBY
>Ir n = K (3M Y n = 2 _ (n -1) d sin
eyM
° M, définit le « pointage » ou la « voie » ; 8Y , angle
de la direction de la source avec le plan normal à
l'antenne ; d, distance entre capteurs .
Les réponses spatiales ou diagrammes de directivité,
sont données par
g=
1
E An e
J (çPn
- ynr f
(0 111)
j X n rns
1 A
n
e
_
f (~„ -fin) f
(es)
n
OS
OP
Pour la réalisation physique des réponses et images,
diverses techniques ont été proposées [1 à 5] . Le LMA
du CNRS a étudié un procédé hybride [6], dont on
expose le principe ci-dessous.
2. Principe du traitement hybride
L'expression générale d'une image étant
VIVI = Vs
eJ
Ws	
An
	 e
-J (Wn-Vn) f
(ens)
n s
j X rns
les sommes sont maximales lorsque
tpn ='rn, c'est-à-
dire lorsqu'on additionne des termes de phases égales .
Les déphasages des signaux d'antennes sont
compensés » par lignes à retards ou déphaseurs
Bns
Y
ZM
rMn
Antenne
FSg. 1
Traitement
volume 4 - n° 4
-
1987
purs . Le phénomène d'hétérodynage d'un signal v n
issu d'un capteur de l'antenne par celui d'un généra-
teur auxiliaire v o donne
vn = Vn sin (w t - (p n + (ps)
710 = V0 sin(w t-'4.ç)
V, n=
Z
Vn VO
[cos ((w-w') t-(p,+\7n+(ps)
-cos((w+w') t -
(P n -
Lltn +(ps)] .
Le filtrage passe-bande élimine l'un des termes
ll2 n - 1
vn VO
cos [(Co - (o )
t-(pn+ Y'n+(pJ
2
(voir fig . 2).
Multiplieur
Vn
vo
Fig. 2
On règle
'Vn
pour que : -(pn+
Wn=0
ou Cte .
La somme porte alors sur des termes de phases identi-
ques .
La disposition pratique est donnée figure 3 .
Un seul filtre passe-bande est nécessaire en raison de
la linéarité de la sommation.
On obtient par exemple en ondes sphériques
v= ~
VS
An sin [(w-ù)') t
-(
pn+~tn
+(ps1
n k r ns
expression identique à la réponse spatiale exigée pour
la formation de l'image .
En raisonnant sur un système continu, on peut identi-
fier l'opération effectuée à une corrélation
(p=
(p (Y-YS,
Zs),
	
tr=~r(Y-YM,
ZM)
où Y, coordonnées des capteurs le long de l'antenne ;
Y S, ZS coordonnées des sources ; YM, ZM coordonnées
des réglages de focalisation en OS .
Y
Filtre
Vin
A
V2n
Traitement du Signal
JESPA 86
Fig .
3
331
Le signal en un point Y de l'antenne est
V (x, Y, Z) =A, V (Y, Y s, Z S)
xsin(wt-(p(Y-Y S, Z S)+*p,)
où A, est l'apodisation .
Le produit par le signal auxiliaire donne
VO (Y, YM , ZM)=VO(Y-YM, ZM)
=VOsin(w't-1ll(Y-YM, ZM))
soit
V1 = fV(Y, Y S, ZS) .Vo (Y-YM, ZM)dY
où YS, Z S, ZM sont des paramètres, Y M est le retard
de translation .
Pour une source (YS, Z S), on effectue la corrélation
du signal V (Y, Y S, ZS) avec le signal auxiliaire
V0 (Y, YM, ZM) . Le filtre se comporte comme un cor-
rélateur vis-à-vis des variables spatiales .
3. Réalisation du traitement hybride
3 . 1 . L'ensemble des N signaux
4'n
est fourni par un
registre à décalage numérique, entrée série, sorties
parallèles (fig. 4). Si
FI,
est la fréquence de l'horloge
de décalage, le retard élémentaire entre deux prises
est : 8e=1/FI. Le signal auxiliaire est appliqué à l'en-
trée de chargement . Sa fréquence est F', la pulsation
du fondamental w'. Le déphasage élémentaire entre
deux prises adjacentes est donc
qe=(u 8e =211 F'/F
Q
.
Si l'on saute m prises
~=m P.-
3 . 2. Les multiplieurs sont des portes analogiques
commandées par les sorties du registre . Elles effec-
tuent le produit du signal d'antenne F par l'auxiliaire
F', dit « signal de commutation » contenant H
harmoniques . On obtient, dans le produit, les signaux
HF' + F ou F + HF' . Le filtre passe-bande isole le
terme F'--F ou F-F'.
volume 4 - n° 4 -
1987
U01
02
	
I
19>0
IMAGERIE EN TEMPS RÉEL PAR TRAITEMENT D'ANTENNE HYBRIDE
Fw
	 F'
F'
o
0
3 . 3 . Sommateurs et filtres sont réalisés selon les
techniques conventionnelles de l'électronique analo-
gique.
4 . Calcul du pointage et de la focalisation
pour une antenne linéaire
4 . 1 . EN ONDES PLANES
41n =2~(n-1)dsm6M,
(p n =2-(n-1)dsin0
(pn - Y'n-2
_(n -l) dsin0M
=(n-1)m
1 e
=(n-1)m
27EF'/Fw
d'où le pointage
c F' m
OM=Arcsin-
F F
(H=1) .
ro
m est le « pas » des prises ; c est la vitesse de
propagation ; d est la distance entre capteurs .
4 . 2 . EN ONDES SPHÉRIQUES
l1n=K(rMf-ZM)
=m `lie =
m 27EF'/F~p
Traitement du Signal
3
Fig. 5
332
qui donne le nombre de prises m relatives au cap-
teur n
FF9
rMn
- ZM
rn =
F c
rMn = L(Yn
- YM) 2
+ ZM]I/2.
La focalisation est réalisée dans la zone repérée par
(YM, ZM ) . On peut calculer que
ZM=A . F,p- B
F
-P
avec
A= (
YM-Y n) 2 . F B= cm F
2cmF 2F
Le pointage et la focalisation sont commandés par la
fréquence de décalage du registre Fq,.
Les figures 5 et 6 montrent de manière schématique
la répartition des prises pour les adaptations en ondes
planes et sphériques .
4
.
3 .
INFLUENCE DE LA FRÉQUENCE DE LA SOURCE
On l'étudie sur l'expression de la réponse spatiale g
en ondes sphériques
g=
An
e~ rn
.
Registre
volume 4 - n° 4 - 1987
-F
F
(f (8n) = 1 )
Registre à décalage
2 3 4
F(p
: Décalage
F' :
Chargement
1
Se
-1/F(p
Oe =
w'&, = 2 7r F'/ F (p
Fig . 4
avec
soit
FOCALISATION
ZM
XM=O
Ondes sphériques
(p =OYEn =2itF-n ,
C
(pn=m`Ve=m2nF'/Fp=KrM n
=2nFMrMn/c
(p n - W n = 2 - (F . rn
- FM rMn)
c
(a) Écho d'une tige inox,
diamètre 4 mm à 50 cm.
et en ondes planes
g = ~n
e
-J(ro n -yn)
n
(p n -
`Y
n = 2 n (n- 1) d (F . sin 0 - FM . sin 0 M) .
c
5. Résultats obtenus avec un prototype de
sonar
Réalisé au LMA-CNRS, un prototype équipé d'une
antenne linéaire de 10 capteurs fonctionnant à
JESPA 86
F,p variable pour focalisation dynamique
Fig. 6
Traitement du Signal
333
Registre
(b) Échos de deux tiges inox,
diamètre 4 mm
volume 4 - n° 4 - 1987
(c) Échos de barres durai de 15 mm
à75et115cru.
Fig. 7. -
Images obtenues avec une antenne linéaire à 10 capteurs
par traitement hybride, exploration séquentielle sur 120 voies,
F = 83 kHz
. Prototype de sonar expérimenté en cuve. Durée d'une
émission : 100 µs . L'impulsion d'émission est
du type « train
d'onde sinusoïdale »
. Les capteurs de l'antenne sont espacés de
X/2.
F = 83 kHz, a donné des images de cibles en cuve
par balayage polaire (panoramique) visibles sur les
figures 7 . L'exploration séquentielle, commandée par
F', est effectuée sur 120 voies, se formant chacune en
100 µs.
-90
1
0
	
50
°
90
BM
B
(a) Diagramme à l'infini
.
La précision du pointage en ondes planes a été vérifiée
expérimentalement (fig . 8) .
Le dispositif fonctionne également en écoute passive .
Si le procédé n'apporte actuellement que peu de chose
en résolution, il semble intéressant sur les plans de
la rapidité de formation d'image et d'économie de
réalisation .
Manuscrit reçu le 21 novembre 1986 .
BIBLIOGRAPHIE
[1] G. S . KINO, Acoustic imaging for non destructive eva-
luation, Proc. IEEE, 67, n° 4, april 1979, p. 510-525 .
IMAGERIE EN TEMPS RÉEL PAR TRAITEMENT D'ANTENNE HYBRIDE
Mesure
Traitement du Signal
334
[2]
[3]
[5]
volume 4 - n° 4 -1987
(b) Angle de pointage
cF'm
9M =Arc sin	
(dFF,) .
Fig
. 8
D . A. GAUBATZ, Fast beamforming processor, Acoustical
Holography, 7, p . 495-507 .
L. C .
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Acoust. Holog., 7, p . 447-459 .
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G. M
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sonars, Ultrasonics, Jan . 1972 ; A general treatment of
modulation scanning as applied to acoustic to linear
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d'antenne hybride, GRETSI, 1091-1983, 1985 .


Real time imaging by antenna and hybrid device

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