Bathymétrie en l'absence de signal GPS : application aux canaux ...

I N S T I T U T N A T I O N A L D E S S C I E N C E S A P P L I Q U É E S D E S T R A S B O U R G

Mémoire de soutenance de diplôme d’ingénieur INSA

Spécialité TOPOGRAPHIE

Présenté en septembre 2014 par Bastien CHAMPIER

Réalisé au sein de l’entreprise : Cerema – Direction territoriale Est

LRPC de Strasbourg

Groupe Méthodes Physiques

11, rue Jean Mentelin

67035 STRASBOURG

Directeur de PFE :

M. Pierre CHARBONNIER, Chef de groupe Méthodes Physiques, Respon-

sable équipe de Recherche, Directeur de recherche.

Personne encadrant le PFE :

M. Philippe FOUCHER, Chercheur ERA 27, chargé de recherche.

Correcteurs :

M. Pierre GRUSSENMEYER

BBaatthhyymmééttrriiee eenn ll’’aabbsseennccee ddee ssiiggnnaall GGPPSS :: aapppplliiccaattiioonn aauuxx

ccaannaauuxx uurrbbaaiinnss eett aauuxx ttuunnnneellss ccaannaauuxx..

CHAMPIER BASTIEN MÉMOIRE DE PFE INSA DE STRASBOURG

i

AAVVAANNTT PPRROOPPOOSS

Ce projet de fin d’études fût fort intéressant pour de nombreuses raisons. Tout

d’abord, ayant travaillé dans différents environnements par le biais de nombreux stages

réalisés au cours de mon cursus de formation, je n’avais encore jamais eu l’occasion d’évoluer

eu sein d’un laboratoire de recherche. J’ai ainsi pu découvrir un nouvel environnement de

travail dédié à la recherche et au développement d’outils et projets dans la Direction Territo-

riale Est du Centre d’étude et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et

l’aménagement (CEREMA). Cette structure m’a permis, durant ces six mois, de mieux

concevoir l’importance du travail pluridisciplinaire en équipe, où chacun apporte une

contribution essentielle.

Ainsi, de part les multiples recherches effectuées dans un domaine encore peu connu par le

laboratoire, soit la bathymétrie, j’ai pu mettre à contribution mes connaissances et compé-

tences d’étudiant ingénieur Géomètre Topographe afin d’aider dans la mise au point et le

développement d’un système d’acquisition particulier. Ce fût donc une expérience très

positive qui m’a conforté dans le fondement du travail d’un ingénieur.


ii

RREEMMEERRCCIIEEMMEENNTTSS

Dans le cadre de ce Projet de Fin d’Études, je tiens à remercier l’ensemble du person-

nel du Laboratoire de Recherches des Ponts et Chaussées de Strasbourg et notamment ceux

animant le groupe Méthodes Physiques.

Je remercie plus particulièrement mon directeur stage, M. Pierre Charbonnier, ainsi

que mon maître de stage, M. Philippe Foucher, pour m’avoir épaulé tout au long de ce travail

de recherches et surtout pour m’avoir donné leur confiance et leur conseil pour le développe-

ment de ce projet.

Je remercie également l’ensemble du corps professoral sans qui les connaissances et

compétences acquises durant ces trois années d’études à l’INSA ne m’auraient permis de

mener à bien ce PFE. Je remercie plus spécialement M. Pierre Grussenmeyer et M. Mathieu

Koehl pour leur contribution non négligeable quant à la mise au point de ce projet.

Pour leur participation significative lors des différentes expérimentations, je remercie

les membres du LRPC Mme Valérie Muzet, M. Thibaut Perrin et M. Anthony Lesouder ainsi

que les membres de l’INSA de Strasbourg M. Samuel Guillemin et M. Daniel Levy.

Des remerciements spécifiques à l’ensemble des intervenants extérieurs travaillant

chez les Voies Navigables de France ayant mis à notre disposition les moyens de mettre au

point ce projet de recherche. Je remercie principalement M. Alexis Voulminot, M. Pascal

Froehlicher et M. Gilles Esbelin.

Je tiens aussi à remercier l’ensemble des contacts extérieurs, commerciaux comme

professionnels, dont les connaissances techniques et leur devis ont permis de m’aiguiller sur

les bons axes de développements.

Enfin, je remercie chaleureusement l’ensemble de mes camarades avec qui j’ai partagé

d’agréables moments tout au long de ces études. Spécialement M. Florian Pruvost, M. Mikael

Royere, M. Robin Bruna, M. Remy Prieur et M. Edouard Giudice pour leur aide, leur partage,

leur soutien et leur bonne humeur.


iii

Retour sommaire

TABLE DES MATIÈRES

I. Introduction ......................................................................................................................... 1

II. État de l’art des techniques bathymétriques et d’inspection sous marine. ..................... 4

2.1. Introduction ............................................................................................................ 4

2.2. Bref historique de la bathymétrie ........................................................................... 5

2.3. La ligne de sonde .................................................................................................... 5

2.4. Les échosondeurs .................................................................................................... 6

2.4.1. Les transducteurs électroacoustiques.................................................................. 6

2.4.2. Sondeurs acoustiques monofaisceau .................................................................. 7

2.4.3. Sondeurs acoustiques multifaisceaux (SMF) ..................................................... 8

2.4.4. Les sondeurs multitransducteurs ou système de balayage ............................... 11

2.5. Les SONAR .......................................................................................................... 12

2.5.1. Le SONAR latéral ............................................................................................ 12

2.5.2. Le CHIRP SONAR latéral ................................................................................ 12

2.5.3. Le SONAR par interférométrie ........................................................................ 13

2.5.1. Le SONAR à synthèse d’ouverture (SAS) ....................................................... 15

2.5.2. Les SONAR d’imagerie 2D ou caméras acoustiques ....................................... 16

2.5.3. Les caméras acoustiques 3D ............................................................................. 17

2.5.4. Les SONAR bathymétriques 3D ...................................................................... 19

2.6. Bathymétrie par scanner laser .............................................................................. 20

2.6.1. Lidar aéroporté bathymétrique ......................................................................... 20

2.6.2. Scanner laser 3D sous-marin ............................................................................ 22

2.7. Conclusion ............................................................................................................ 23

III. Intégration d’un système de mesure hydrographique ................................................... 26

3.1. SONAR à balayage latéral .................................................................................... 26

3.1.1. Structure initiale du système............................................................................. 26

3.1.2. Caractéristiques techniques .............................................................................. 27

3.1.3. Analyse du signal « CHIRP » au niveau des transducteurs .............................. 28

3.1.4. Les paramètres TVG du SONAR ..................................................................... 30

3.1.5. Résolution de l’image SONAR ........................................................................ 31

3.1.6. Caractéristique énergétique du SONAR ........................................................... 33

3.2. Expérimentation et montage ................................................................................. 35

3.2.1. Présentation des 2 expérimentations ................................................................ 35

3.2.2. Fixation et orientation du SONAR ................................................................... 35

IV. Interprétation des images du SONAR latéral ............................................................... 39

4.1. Introduction .......................................................................................................... 39


iv

4.2. La localisation des objets ..................................................................................... 39

4.2.1. L’ombre portée ................................................................................................. 40

4.2.2. La taille de l’objet ............................................................................................ 40

4.3. Effets compliquant l’interprétation des images SONAR ..................................... 41

4.3.1. Le « ghosting » ................................................................................................. 41

4.3.2. La diaphonie ..................................................................................................... 42

4.3.3. La thermocline et l’halocline ........................................................................... 42

4.3.4. Distorsion dans un virage ................................................................................. 43

4.3.5. La diffusion de surface ..................................................................................... 44

4.3.6. Le souffle de l’hélice ........................................................................................ 45

4.3.7. Le bruit sonore ................................................................................................. 45

4.4. Distorsions géométriques ..................................................................................... 46

4.4.1. Le raccourci...................................................................................................... 46

4.4.2. Le repliement ................................................................................................... 47

4.4.3. L’ombre portée ................................................................................................. 49

4.5. Déformation liée à l’attitude du SONAR ............................................................. 50

4.5.1. Effet de Roulis ................................................................................................. 50

4.5.2. Effet de Cap ..................................................................................................... 50

4.5.3. Effet de tangage ............................................................................................... 51

4.5.4. Variations de vitesse ........................................................................................ 51

4.6. Conclusions et perspectives ................................................................................. 52

V. Analyses des calculs de trajectographie ....................................................................... 53

5.1. Opérations et traitements tachéométriques .......................................................... 53

5.1.1. Acquisition des données................................................................................... 53

5.1.2. Traitements et analyse des données ................................................................. 54

5.2. Opérations et traitement de l’OVS ....................................................................... 59



5.3. Opérations et traitements photogrammétriques ................................................... 64



5.3.3. Correspondance entre modèle Photogrammétrique et Image Sonar ................ 66

VI. Conclusion et perspectives ........................................................................................... 67

VII. Table des illustrations .................................................................................................. 69

VIII. Bibliographie ................................................................................................................ 72

IX. Annexes ........................................................................................................................ 76


Page 1 Retour sommaire

II .. IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

L’objectif de ce Projet de Fin d’Études est d’explorer les techniques permettant

d’acquérir, grâce à un système embarqué, la cartographie 3D complète d’une section de canal

(partie immergée aussi bien que partie aérienne), dans des configurations difficiles, où le

signal GPS de localisation n’est pas disponible : tunnels-canaux et canaux urbains. Il s'agit,

d'une part, de réaliser une étude bibliographique et commerciale des moyens disponible, en se

basant sur des critères de précision, rendement, accès aux données brutes, coût, etc. D'autre

part, il s'agit d'étudier les capacités d’un SONAR à balayage latéral, mis à disposition par

Voies Navigables de France (VNF) déployé dans un tel environnement.

Mon projet de fin d'études s'est déroulé au sein du groupe Méthodes Physiques du

Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg. Depuis le 1 janvier 2014,

lecelui-ci fait partie intégrante de la Direction Territoriale Est au service du Centre d’étude et

d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement (CEREMA), ex

CETE de l’Est. Le CEREMA, établissement public à caractère administratif (sous la tutelle

conjointe du Ministère de l’Écologie, du Développement Durable et de l’Énergie, ou

MEDDE), assure un appui scientifique et technique auprès des différents acteurs du domaine,

dans le but d’élaborer, de mettre en œuvre et d’évaluer les politiques publiques de

l’aménagement et du développement durables.

Le CEREMA est réparti sur le territoire français en 29 sites. Constitué, dans un premier

temps, du siège social basé dans la région Lyonnaise à Bron, il rassemble 3 directions

techniques et 8 directions territoriales composées de 17 laboratoires de recherches.

L’ensemble de ses équipes, aux activités diverses, assurent de nombreuse missions telles que

le développement de méthodologies et d’outils permettant d’améliorer la gestion du territoire,

et de répondre aux besoins de l’État et d’acteurs territoriaux.

Le Laboratoire Régional de Strasbourg est composé d’environ 70 agents répartis en un

ensemble de cinq groupes aux activités différentes : Géotechnique-Terrassement-Chaussée,

Ouvrages d’Art, Construction, Acoustique et Méthodes Physiques. A noter que les deux

derniers groupes sont constitués autour de deux équipes de recherche associées à l’IFFSTAR1

(ERA2). Ainsi, le groupe Méthodes Physiques est bâti autour de l'ERA 27 "Imagerie -

Méthodes Optiques", où s'est déroulé mon projet. Cette équipe a pour but le développement et

le transfert de connaissances et de techniques liées à l'optique et au traitement d'images

numériques, dans des applications liées à la sécurité des transports et au contrôle non destruc-

tif en génie civil.

Les services des Voies Navigables de France (VNF), assurant l’entretien,

l’exploitation et l’amélioration de 6700 km de voies fluviales, ont manifesté le besoin de

développer un outil d’inspection permettant d’observer et localiser des détériorations sur les

maçonneries des tunnels-canaux, soit au total 33 ouvrages représentant une longueur cumulée

de 42km. Le développement d’un tel outil, de par l’environnement bien spécifique dans lequel

celui-ci évoluera, doit faire preuve d’innovation en termes de technologies employées afin de

permettre une inspection à la fois sûre et efficace. En particulier, il y a lieu de rechercher des

1 Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux. 2 Équipe de Recherche Associée

CCHHAAPPIITTRREE



solutions alternatives à l'emploi des techniques de positionnement global par satellite (GPS),

inopérantes dans les tunnels-canaux (problématique qui s'applique également aux canaux

urbains).

Une convention de partenariat à été signé en 2009 par le CETU, la DTerEst et VNF. Celle-ci a

permis la mise au point d’un système d’inspection visuelle à hauts rendements des tunnels-

canaux basé sur des procédés photogrammétriques (et plus particulièrement sur des principes

de stéréovision). Ce système d’acquisition permet de procéder à la cartographie détaillée et

géoréférencée des parties émergées des ouvrages. Actuellement, des recherches complémen-

taires sont en cours en vue d’automatiser le traitement des images afin de repérer

automatiquement les potentielles détériorations visualisables sur les images acquises par ce

système. Or, il est tout aussi important de pouvoir procéder à la localisation et au diagnostique

de débris sur le fond du canal ou de déformations sur les structures immergées.

L’objectif final du projet est donc de développer un système capable de procéder à la carto-

graphie géoréférencée de la totalité du tunnel et de réaliser un modèle tridimensionnel du tube

entier d’un tunnel par l’emploi d’outils de mesures et de traitements particuliers. Ces travaux

feront l’objet d’une thèse de doctorat financée par le Cerema, démarrant le 1er

septembre

2014.

Ce Projet de Fin d’Études s’inscrit dans le cadre de l’étude de faisabilité d’un tel

système, et concerne plus particulièrement l’acquisition de données hydrographiques /

bathymétriques. Cette étude fait suite à plusieurs Projets de Fin d’Études (PFE) et Projet de

Recherches Technologiques (PRT) déjà réalisés conjointement, depuis 2011, par le LRS et le

groupe PAGE1 de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Strasbourg. Les

Voies navigables de France ont, dans ce cadre, mis à disposition un site test en Moselle ; il

s’agit d’un tunnel d’une longueur approximative de 475m situé entre Niderviller et Arzviller.

Un second site expérimental dans le quartier de la Petite France à aussi été mis en place

durant ce PFE afin de permettre d’autres expérimentations dans des conditions où le signal

GPS n’est toujours pas ou peu disponible.

L’ensemble des études préalables déjà réalisées sur le développement du système ont

permis de mettre au point une méthode de repérage du dispositif à l’intérieur du tunnel en

traitant et comparant les données enregistrées suivantes : suivi tachéométrique, attitude de

l’embarcation à l’aide d’une centrale inertielle, détermination de vitesse par radar Doppler,

trajectoire par photogrammétrie et odométrie visuelle. Une première approche (Guittet, 2012),

a permis de définir les avantages et inconvénients des différentes méthodes de positionne-

ments du système dans un milieu ne présentant aucune couverture GPS, et de procéder à la

modélisation tridimensionnelle des parties émergées du tunnel-canal par l’emploi d’une

procédure photogrammétrique à l’aide de Photomodeler-Scanner. Une seconde étude,

entreprise par (Chavant, 2013), a permis d’évaluer la qualité et la précision ainsi que de

l’exactitude de cette modélisation 3D du tunnel en comparant les ensembles de points obtenus

par photogrammétrie à ceux obtenus par lasergrammétrie. De plus, une méthode de position-

nement simplifiée a été proposée et évaluée. Fondée sur l'utilisation du mouvement et de la

stéréovision, cette technique d'Odométrie Visuelle Simplifiée (OVS) est automatique et

rapide, mais ne permet d'atteindre pour le moment qu'une précision décimétrique. D’autre

part, les travaux de Chavant ont permis d’évaluer les performances de l’OVS au regard de la

photogrammétrie ainsi que la qualité de reconstruction des images panoramiques de la voûte

du tunnel acquises par le système.

1 Photogrammétrie Architecturale et Géomatique



Les nombreuses études réalisées jusqu’à présent ont donc permis d’évaluer les capacités du

système d’inspection quant à son positionnement et la modélisation tridimensionnelle des

structures émergées en se basant sur des principes de traitements simplifés.

Mon Projet de Fin d’Étude s’inscrit comme étant une première approche de la seconde

partie de développement du système d’inspection où la connaissance de la propagation des

ondes sonores dans un milieu aquatique clos tel que celui des tunnels-canaux est importante

pour l’interprétation et l’analyse judicieuse des images subaquatiques. Mes six mois de

recherches ont ainsi permis, tout d’abord, d’étudier les différentes techniques d’acquisition de

données bathymétriques existantes ainsi que leur principe de fonctionnement afin de détermi-

ner l’instrument de mesure le plus en adéquation avec les objectifs du système d’inspection.

En parallèle, j’ai entrepris de multiples démarches commerciales permettant d’obtenir une

estimation du coût des différents appareils existants et d’avoir une première liste de contacts

susceptibles d’aider dans l’avancement ultérieur du projet de recherche. J’ai également

procédé à l’intégration d’un SONAR à balayage latéral au prototype existant et ai étudié les

capacités de cet instrument lors d’expérimentation dans des canaux urbains et tunnels canaux

que j’ai contribué à mettre au point. Les données acquises m’ont permis d’analyser les images

SONAR obtenues et de comparer les résultats des calculs de trajectographies par odométrie

visuelle simplifiée et par suivi tachéométrique.

Le présent document est organisé de la manière suivante ; tout d’abord, un État de

l’Art des techniques d’acquisitions bathymétriques présentra brièvement leur fonctionnement

et des applications réalisées dans l’inspection d’infrastructures immergées. Dans un second

temps, nous présenterons comment le SONAR à balayage latéral à été intégré au système

existant lors des différentes expérimentations avant de présenter ces caractéristiques tech-

niques. Par suite, nous exposerons l’ensemble des distorsions et déformations géométriques

existantes lors de l’interprétation des images acoustiques. Enfin, une analyse des résultats

mettront en évidence quelques erreurs dans l’horodatage des mesures et les limites de

l’odométrie visuelle simplifiée.



II II .. ÉÉTTAATT DDEE LL ’’AARRTT DDEESS TTEECCHHNNIIQQUUEESS BBAATTHHYYMMÉÉ--

TTRRIIQQUUEESS EETT DD ’’ IINNSSPPEECCTTIIOONN SSOOUUSS MMAARRIINNEE ..

22..11.. IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

Les navigateurs ont toujours exprimé un besoin de connaître la topographie des fonds

marins de manière à identifier, dans un premier temps, les zones à risques pour leur navire,

mais aussi pour avoir une représentation scientifique plus approfondie de la forme et de la

nature de ces fonds. De nos jours, les techniques d’acquisitions et d’identifications des fonds

océaniques sont nombreuses et rapides. Leur utilisation est maintenant convoitée par beau-

coup de domaine ; scientifiques, ingénieurs, militaires, pêcheurs ou encore l’ industrie

parapétrolière offshore utilisent ces systèmes de mesures bathymétriques/hydrographiques

afin d’analyser les structures sédimentaires des fonds marins, d’identifier des éléments

spécifiques, d’établir des stratégies de défenses particulières , de repérer des bancs de

poissons ou encore, depuis peu, de procéder à l’inspection des parties immergées d’ouvrage

d’art, notamment à l’aide de « véhicule sous-marin autonome » (en anglais AUV1).

Les systèmes acoustiques sont utilisés depuis longtemps afin de mesurer la hauteur

d’eau sous un navire, de détecter des épaves posées sur le fond ou bien de relever des images

acoustiques des fonds marins. Cependant, ce n’est que depuis la deuxième moitié du 20e

siècle que, pour caractériser la nature du fond des mers et océans, l’on s’intéresse à

l’utilisation des signaux réverbérés (Lurton, 1994). D’autre part, depuis l’arrivée dans les

années 90 des scanners laser tridimensionnels, et notamment depuis le lancement de scanners

laser utilisant conjointement des trains d’ondes LiDAR vertes et infrarouges, les scientifiques

et chercheurs analysent et tentent d’améliorer, par le biais de modifications matérielles ou par

l’emploi d’algorithme de traitement, la qualité des mesures bathymétriques effectuées en eau

peu profonde avec des systèmes de bathymétrie par laser aéroporté (ALBS en anglais).

Nous allons maintenant passer à un bref aperçu historique de cette science avant de

présenter tous les systèmes de mesures bathymétriques existants et leurs principes de fonc-

tionnement.

1 Autonomous Underwater Vehicle : véhicule robotisé se déplaçant sous l’eau, contrôlés et alimentés depuis la

surface par un pilote via un poste de contrôle.

CCHHAAPPIITTRREE



22..22.. BBRREEFF HHIISSTTOORRIIQQUUEE DDEE LLAA BB AATTHHYYMMÉÉTTRRIIEE

Cela fait 3500 ans que l’homme à mis au point des techniques afin de déterminer le

caractère des fonds marins. En effet selon (Theberge, 1989), les premiers éléments prouvant

que l’homme mesurait la profondeur des fonds se trouvent sur les peintures de certaines

tombes de l’Égypte ancienne remontant à 1800 ans avant J.C. Une sculpture datant de -1500

ans représente un homme utilisant un bâton mince en guise de perche de sondage sur la proue

d’un grand navire. Cependant aucun ouvrage ou éléments recensant les mesures effectuées à

cette époque n’a été retrouvés.

A ce jour, selon l’Organisation Internationale de l’Hydrographie, la plus ancienne

carte de navigation connue est la carte Pisane dont le nom provient d’une famille Pisane à qui

la bibliothèque nationale de France l’a rachetée. Elle est dessinée sur une peau de bête et

serait approximativement datée du 13e siècle (IHO, 2005)

Ce n’est qu’au 15e siècle que la réalisation et la diffusion de carte relative au fonds

marins a commencé à se concrétiser. En 1584 Waghenaer a publié ses grands atlas « Spieghel

der Zeevaerdt » contenant 45 cartes allant des côtes européennes de la Norvège jusqu’au

détroit de Gibraltar. Au cours du 18e siècle de nombreux pays commencent à établir des

bureaux hydrographiques dans le but de centraliser ces informations relatives à leur nation.

En 1775, Murdoch Mackenzie et son neveu mettent au point un système permettant de

déterminer précisément la position du navire à partir de deux observations angulaires entre 3

éléments terrestres fixes.

Enfin, à la fin de la première guerre mondiale, les hydrographes français et britanniques ainsi

que les délégués de 22 pays se réunissent à Londres en Juin 1919 afin d’établir des règles de

normalisations graphiques et d’échange d’informations relatives aux cartes marines. Ainsi, un

bureau hydrographique international a été fondé permettant d’établir les perspectives

d’échanges d’informations et de standardisation des données (IHO, 2005).

22..33.. LLAA LL IIGGNNEE DDEE SSOONNDDEE

Le sondage à main consiste à déterminer la profondeur du fond marin sous un navire

en utilisant en guise de lest, une sonde en plomb de la forme d’un cône ou d’une pyramide

tronquée attachée à une ligne de sonde (cordage à trois torons). D’autre part, la cavité du

plomb, appelée ‘’âme de la sonde’’, était remplie de suif permettant d’extraire un échantillon

de sédiments du fond sondé, et donc d’avoir des informations sur la nature du fond marin.

La profondeur mesurée était exprimée en « brasses1 », correspondant à la longueur de filin

utilisé en remontant la ligne.

D’après (Theberge, 1989), cette méthode de sondage a été utilisée jusqu’au début du

20e siècle, soit quand les premiers échosondeurs électroniques ont été développés. Le

principal inconvénient de la méthode du plomb de sonde est qu’il était difficile de mesurer

dans des milieux de grande profondeur, du fait des frottements de l’eau sur la corde, de

1 Une brasse est une ancienne unité de mesures correspondant au développement maximum des deux bras

étendus, soit environ 1m60. Il s’agit à la base d’une unité de mesure anglo-saxonne « fathom » qui vaut 1.8288

mètre. Redéfinie en France comme la « brasse nouvelle » vallant 5 pieds, soit 1.624m (Source : Centre National

de Ressources Textuelles et Lexicales)



l’influence des courants sous-marins sur la sonde finalement plus assez lourde et la difficulté

à ressentir l’instant où celle-ci touchait le fond. Ainsi des moyens de levage plus précis et

puissants ont été développés afin de permettre de ramener sur le pont des câbles de plusieurs

kilomètres de long et des charges de plusieurs tonnes. Par la suite des treuils à vapeur et

électriques ont été déployés permettant d’effectuer des mesures bathymétriques multiples. Sur

ces derniers matériels, l’impact du plomb sur le fond était enregistré par un dynamomètre

mesurant le changement de tension du câble d’acier (Kornprobst, et al., 2011).

22..44.. LLEESS ÉÉCCHHOOSSOONNDDEEUURRSS

Dans cette partie sont exposés les différents types d’échosondeurs existants sur le

marché dont le fonctionnement et les capacités techniques sont expliquées afin de déterminer

les avantages et inconvénients de chacun, plus particulièrement pour une application dans des

zones étroites de faible profondeur d’eau telle que des tunnels-canaux. Les deux méthodes de

mesures de profondeur que ces types de système peuvent effectuer sont développées à la fin

en Annexe A.

2.4.1. Les transducteurs électroacoustiques

Le composant principal d’un échosondeur est le transducteur. Cette pièce permet de

transformer une énergie électrique en une énergie mécanique, soit une onde acoustique, et

inversement. De nombreux mécanismes de transduction dont le fonctionnement à été étudié

afin d’obtenir le meilleur rendement possible sont évoqués dans (Kergomard, et al., 2010;

Beyer, 1998). Tout d’abord, nous retrouvons le couplage de transducteurs magnétostrictifs

(Charles Grafton Page, 1837), puis les mécanismes de transduction magnétodynamique

(Werner von Siemens, 1874), résistif (Bell, 1876), électrostatique (Dolbear, 1877), piézoélec-

trique (P. & J. Curie, 1880), thermoacoustique (Preece, 1880), et enfin électrodynamique

(Cuttriss et Redding, 1881). Nous nous intéresserons plus particulièrement à 3 principes de

fonctionnement utilisés en bathymétrie et illustrés par (IHO, 2005), soit le transducteur

magnétostrictif, électrostrictif et piézoélectrique.

Le transducteur magnétostrictif est constitué d’un axe en fer et d’une bobine de nickel

l’enveloppant. Un courant continu, ou une impulsion, est envoyé dans l’axe et génère ainsi un

champ magnétique dans la bobine de nickel, provoquant sa contraction et par conséquent la

réduction de son diamètre. Une fois que le courant électrique traversant l’axe s’arrête, la

bobine retrouve sa forme initiale.

L’application d’un courant alternatif va entrainer une contraction puis une extension de la

bobine dépendant de la fréquence du courant employé, provoquant une vibration. Si cette

fréquence est égale ou correspond à un harmonique de la fréquence propre des matériaux

composant le transducteur, alors l’amplitude sera maximale.

Le transducteur piézoélectrique est composé d’une couche de cristaux de quartz sertie entre

deux plaques de métal. Lorsque l’on fait circuler entre ces deux plaques un courant électrique,

l’épaisseur de la couche de quartz va subir des variations, il s’agit là de l’effet piézoélectrique.

Ainsi la modification de l’intensité du courant électrique va entrainer une vibration du quartz

et par conséquent la vibration de tout le système. Réciproquement, si la couche de cristal subit

une compression mécanique, une différence de potentiel entre les deux plaques sera ainsi

provoquée. Au même titre que le mécanisme de transduction magnétostrictif, l’amplitude du



signal est maximale si la fréquence du courant électrique correspond à la fréquence propre du

quartz.

Le fonctionnement d’un transducteur électrostrictif est basé sur le même principe que le

transducteur piézoélectrique. Il diffère cependant sur le type de matériaux employés, il ne

s’agit plus là de quartz dont les propriétés polaires sont naturelles, mais de céramiques

polycristallines ou de polymère de synthèse qui sont artificiellement polarisés lors de leur

conception.

Ce type de transducteur est le plus utilisé aujourd’hui, du fait de leur faible masse et de leur

emploi réversible (aussi bien émetteur que récepteur). D’autre part, il est possible d’assembler

plusieurs de ces transducteurs, ayant les mêmes propriétés physiques, dans le but d’obtenir un

système délivrant une onde mécanique plus puissante où dont la directivité est plus intéres-

sante.

2.4.2. Sondeurs acoustiques monofaisceau

Ce type de sondeur acoustique détermine la profondeur en émettant une impulsion

sonore au travers d’un seul faisceau dirigé suivant une verticale à l’embarcation. Le sondeur

mesure le temps que met le signal émis pour parcourir le trajet aller-retour entre l’embarcation

et le fond, permettant ainsi de calculer, en ayant connaissance de la célérité du son dans l’eau,

la profondeur du sol marin (Bisquay, 1999)(Bisquay, 2010). Cette onde mécanique (ultraso-

nore) est émise sous forme d’impulsion, puis captée par le biais d’un transducteur. La Figure

1 présente le principe de fonctionnement de ce type d’échosondeur.

L’onde émise est considérée de forme conique pour un souci de clarté, cependant cette

configuration là n’est jamais respectée puisqu’il y a toujours des lobes d’émissions secon-

daires, d’intensité bien plus faible, qui viennent perturber le faisceau principal.

La plupart des transducteurs couramment utilisés pour ce type d’échosondeur produisent un

signal dans un cône d’angle large allant de 7° à 45° (pour les sondes bi-fréquences).

L’inconvénient principal de cet instrument est qu’il ne permet qu’une insonification

ponctuelle du fond. C'est-à-dire qu’il n’effectue, à chaque émission d’onde acoustique, qu’une

seule mesure du fond à la verticale de l’embarcation. D’autre part, les signaux acoustiques

n’étant pas des perturbations instantanées, mais des vibrations continues caractérisées par leur

fréquence d’émission, on obtient ainsi une représentation du fond marin suivant une trace

Figure 1 Principe de fonctionnement d'un sondeur monofaisceau

(source web: OzCoasts.gov)



définie par la trajectoire du navire et dont l’empreinte au sol dépend de l’ouverture du système

et la profondeur du fond.

Selon la profondeur de la zone dans laquelle les mesures sont réalisées, la fréquence de l’onde

acoustique utilisée ne sera pas la même. D’après (Lurton, 1998), le choix d’une fréquence

pour une application donnée doit prendre en compte un certain nombre de contraintes,

notamment l’amortissement du son dans l’eau, augmentant de manière significative lorsque la

fréquence de l’onde sonore augmente. D’autre part, plus la fréquence du signal augmente,

plus la résolution spatiale augmente, mais plus la portée du signal et l’angle d’ouverture du

faisceau sera faible. Ainsi, afin de profiter des avantages que peuvent fournir des signaux de

hautes fréquences (bonne résolution spatiale) et de basses fréquences (bonne pénétration,

portée) certains sondeurs ont la particularité d’émettre deux fréquences différentes. Par

exemple l’appareil de mesure du LRPC de Blois émettant à 33 et 210kHz, permet en présence

de végétation d’avoir une double détermination du fond (partie supérieure du couvert végétal

à l’aide de la haute fréquence, et partie inférieure du couvert végétal correspondant au fond à

l’aide de la basse fréquence).

Certains systèmes peuvent émettre de très basses fréquences (entre 1 et 10kHz). De tels

appareils sont appelés pénétrateurs de sédiments et permettent de cartographier les premières

couches de sédiments du sous-sol marin(Bisquay, 2010)

Pour l’inspection des tunnels-canaux, dont la profondeur du fond est généralement

assez faible (moins de 10m), nous pourrions utiliser un échosondeur monofaisceau ayant une

fréquence d’émission élevée (entre 400kHz et 1MHz) afin de pouvoir inspecter les parties

immergées avec une haute résolution spatiale. Cependant la zone levée sera relativement

petite, ne permettant pas d’avoir une représentation entière de parties immergées sur 1 ou 2

passages de l’embarcation.

D’autre part, le sondeur n'ayant aucune capacité de discrimination angulaire, il interprétera le

premier écho comme étant celui qui est réfléchi par le fond directement à sa verticale. Or ce

cas là n’est vrai qu’en présence d’un fond plat, la mesure étant faussée en présence d’une

pente puisque dans ce dernier cas, il va assimiler la profondeur du fond au niveau du point le

plus haut de la zone insonifiée.

Ainsi, pour l’inspection des tunnels-canaux, l’échosondeur monofaisceau ou bi-fréquence ne

se présente pas comme l’outil idéal pour la modélisation des parties immergées, malgré son

faible coût.

2.4.3. Sondeurs acoustiques multifaisceaux (SMF)

Ce type de sondeurs bathymétriques fait son apparition durant les années 70, motivé

par les limitations que présente un système monofaisceau. Celui-ci mesure simultanément la

profondeur du fond selon plusieurs directions. Les faisceaux générés forment une fauchée

orthogonale à l’axe de l’embarcation. Ainsi, le fond étudié est exploré sur une large bande ;

on parle donc dans ce cas de « bathymétrie surfacique et d’exploration totale. »(Bisquay,

1999; Hurtòs Vilarnau, 2009)

L’avantage des sondeurs multifaisceaux (SMF) par rapport au sondeur monofaisceau est

qu’ils permettent d’explorer une bande large le long de la trajectoire du navire et que leur

résolution est plus grande.



Au même titre que les sondeurs monofaisceau, ces sondeurs mesurent la profondeur du fond

subaquatique en calculant le temps de parcours de l’onde sonore, mais au lieu de mesurer un

point à la verticale du transducteur à chaque impulsion, celui-ci mesure un grand nombre de

points répartis sur la fauchée perpendiculaire au navire.

La plupart des sondeurs multifaisceaux fonctionnent suivant la technique dite des « faisceaux

croisés ». Suivant les explications de (Bisquay, 2010), une impulsion sonore est émise au

travers d’un faisceau d’émission étroit dans la direction longitudinale (environ 1°) et large

dans la direction transversale (environ 150°).

Lors de la réception, le signal émis et réfléchi est capté par une antenne linéaire perpendicu-

laire à l’antenne d’émission (principe des antennes en croix de Mills, voir(Slattery, 1966)).

Durant cette phase, chacun des transducteurs composants l’antenne échantillonne les échos

renvoyés par le fond. La réception du signal réfléchi se faisant à l’aide de ‘n’ faisceaux assez

larges longitudinalement (environ 20°) et fins transversalement (environ 1°) ; la Figure 2

présente la configuration de ce principe.

On obtient donc en sortie une matrice contenant les informations des signaux reçus par tous

les transducteurs, et durant toute la phase d’acquisition.

La répartition des faisceaux d’un sondeur multifaisceaux peut être de deux formes différentes

suivant la technologie employée pour le système selon (Bisquay, 2010) :

- De forme équiangulaire, c'est-à-dire que l’angle formé entre chaque faisceau est

constant. De ce fait, l’écartement des zones insonifiées sur le fond ne sera pas homogène ; on

obtient donc une densité forte à la verticale du sondeur et faible aux extrémités.

- De forme équidistante. Dans ce cas, l’angle formé entre chaque faisceau varie

suivant un espacement constant entre les zones insonifiées au sol.

A l’instar des SONAR, les systèmes SMF sont non seulement des systèmes de mesures

bathymétriques, mais aussi des systèmes « imageurs ». En effet, chaque échantillon possède

une valeur de réflectivité correspondant à l’intensité acoustique de l’écho reçu. Ainsi, à

l’instant où le fond est détecté, la réflectivité des différents échantillons est utilisée pour créer

une imagerie, dite acoustique, permettant de fournir des informations sur la nature du fond

observé. Cependant, avant d’obtenir une image cohérente et exploitable depuis les données

d’un sondeur multifaisceaux, il est nécessaire d’effectuer en, post-traitement, un certains

nombres de corrections (Correction d’aire exposée, correction des effets de directivité, etc.)

Figure 2 Faisceaux d’émissions et de réceptions croisés (source : SHOM,2005)



suivant la procédure de normalisation TVG1. Plus de détails sont présentés dans les travaux

de(Dezhang, et al., 2006; Hellequin, 1997).

Beaucoup d’interventions, concernant l’inspection d’infrastructure immergée, ont été menées

à l’aide de sondeurs multifaisceaux qui sont parfois couplés avec l’utilisation d’un scanner

laser permettant d’ obtenir un modèle 3D complet de l’environnement étudié, que ce soit hors

de l’eau ou immergé. Par exemple, la société Hydroconsult procède régulièrement, en

association avec le Port Autonome de Marseille (PAM), à l’inspection des ouvrages portuaires

immergés en utilisant un sondeur multifaisceaux RESON SeaBat 8101 avec option

d’ouverture à 210°. Les résultats obtenus au niveau du quai dans le bassin national du port de

Marseille permettent de clairement analyser l’état de la maçonnerie des structures portuaires

immergées. La Figure 4 représente le maillage 3D issu du nuage de points obtenus à l’aide du

sondeur multifaisceaux. Le port de Québec a lui aussi été soumis à une procédure d’inspection

marine. La société Mosaic3D a combiné dans ce cas un levé LiDAR - SMF sur 6km de long,

en utilisant, pour la partie hors eau, un scanner laser Riegl Q140, et pour la partie bathymétrie,

un système multifaisceaux RESON Seabat 7125SV. Les résultats obtenus sont encore une

fois, malgré les mauvaises conditions du milieu aquatique dans de tels environnements

(turbidité de l’eau importante et visibilité réduite), très satisfaisants, et permettent ainsi de

visualiser l’état des structures immergées et d’observer certaines détériorations. La Figure 3

présente le type de résultats que l’on peut obtenir sur un pilier de pont en combinant mesures

LiDAR et sondeur multifaisceaux.

Ainsi, par son large champ d’action, sa haute résolution spatiale et sa capacité à fournir une

image presque au même titre que le SONAR, les sondeurs multifaisceaux semblent être une

bonne alternative pour le développement de la partie bathymétrique du système d’inspection

des tunnels-canaux. Cependant le prix de revient d’un tel système d’acquisition est relative-

ment élevé, d’autant plus qu’il est nécessaire d’attribuer une centrale inertielle à ce type de

système (si celle-ci n’est pas intégrée au SMF) afin de déterminer l’orientation des faisceaux,

ainsi qu’un logiciel permettant le contrôle du sondeur pendant son utilisation et le traitement

des données après interventions.

1 « Time Varying Gain », il s’agit d’une méthode de compensation du signal qui élimine les effets de pertes de

transmissions des données de l’échosondeur. Cette perte de transmission est due à la diffusion et à

l’amortissement de l’onde dans le milieu. On cherche ainsi à faire en sorte que des cibles de taille identique aient

un écho de même dimension.

Figure 3 Combinaison de mesures

LiDAR et Sondeur multifaisceaux

(source : CIDCO & Mosaic3D)

Figure 4 Modèle 3D obtenu à l'aide d'un sondeur multifais-

ceaux sur le port de Marseille source : (Fraleu, et al., 2006).



Le Tableau 1donne un ordre d’idée du prix que peut couter des échosondeurs multifaisceaux

généralement employés dans le cas de faible profondeur d’eau.

Tableau 1 Comparatif de prix entre différents échosondeurs multifaisceaux

Les prix annoncés dans le tableau 1 sont variables de plus ou moins 15 – 20 000€. Cela

dépendant de la fréquence du système désiré, des options (câbles, contrôleur, tête d’ancrage,

etc.) souhaitées, des appareils de mesures complémentaires intégrés (Centrale d’attitude,

profileur de célérité, etc.) ainsi que du distributeur et de l’offre budgétaire proposée.

2.4.4. Les sondeurs multitransducteurs ou système de balayage

A mi chemin entre le sondeur monofaisceau et le sondeur multifaisceaux se trouve le

sondeur multitransducteur ou système à balayage. Celui-ci est composé d’un ensemble de

transducteurs répartis le long de plusieurs bômes perpendiculaires à la trajectoire du navire.

Ainsi, le système ne relève plus qu’une zone ponctuelle du fond, mais un ensemble de profils

équivalent au nombre de transducteurs. La largeur de la fauchée est donc plus large qu’avec

un sondeur monofaisceau, mais elle reste plus étroite que celle générée par un multifaisceaux.

De plus l’utilisation de grandes bômes est encombrante et limite par la même occasion la

manœuvrabilité de l’embarcation.

Le principe de fonctionnement d’un tel sondeur est identique à celui d’un système monofais-

ceau puisqu’il s’agit seulement d’une mise en parallèle de ce type de sondeur dont les données

de chacun d’entre eux sont simultanément intégrées dans le même logiciel. Les Voies

Navigables de France possèdent des bateaux ayant un ensemble de 7 échosondeurs monofais-

ceau également répartis perpendiculairement à la trajectoire du navire. Certains navires

peuvent être composés de plus d’une vingtaine de transducteurs répartis sur plusieurs barres

Constructeur Modèle Caractéristique Résolution

spatiale Prix

Kongsberg EM2040C

200 – 400kHz

Ouverture de 130° (une

tête) et 200° (deux

têtes)

1.8 cm 140 000€

R2Sonic 2020

200 – 400kHz

Ouverture modulable de

10° à 130°

1.25 cm 100 000€

R2Sonic 2022

200 – 400kHz

Ouverture modulable de

10° à 160°

1.25 cm 130 000€

Teledyne

Reson Seabat 7128

200 – 400kHz

Ouverture de 128° 2.5 cm 120 000€

Teledyne

Reson

Seabat 7101

FLOW

240kHz

Ouverture de 150° ou

210°

1.25 cm 140 000€

Elac Nautik Seabeam

1000

180kHz

Ouverture de 153° - 100 000€

Atlas

Hydrographic Fansweep 20

100 – 200kHz

Ouverture de 180° en

mode balayage latéral

5 cm ± 0.2% de

la profondeur 90 000€



transversales modulables comme le CCGS F.C.G Smith du Service Hydrographique du

Canada (SHC).

22..55.. LLEESS SSOONNAARR

2.5.1. Le SONAR latéral

Le SONAR, ou « SOund NAvigation and Ranging » est un système imageur continu.

Sa fonction est de constituer des images acoustiques détaillées des fonds marins observés en

niveau de gris. Pour se faire,(Lurton, 1998) explique qu’un faisceau sonore d’ouverture étroite

est émis avec une incidence rasante au fond, interceptant ce dernier suivant une fine bande

s’estompant avec la distance. Dans cette zone couverte par le faisceau, le signal émis, d’une

durée très courte, va délimiter une zone insonifiée de dimension relativement petite qui va

balayer toute la fauchée. L’écho recueilli correspond à une représentation de la réflectivité du

fond le long de la fauchée, et plus particulièrement de la présence d’irrégularités ou de petits

obstacles caractérisés par leur impédance acoustique. Ce signal, enregistré latéralement selon

l’avancée du SONAR, est juxtaposé aux signaux successifs déjà enregistré par le SONAR

pendant toute la durée de son avancement. Ainsi on obtient une image presque complète du

fond après jonction (mosaïquage) des images réalisées ligne après ligne, seule une zone à la

verticale du système imageur ne peut être représentée. En effet, une des caractéristiques du

SONAR latéral est l’existence d’un angle aveugle, ou zone non insonifée, compris entre 5 et

20° à l’aplomb du SONAR.

La structure d’un tel système est basée sur l’utilisation d’antennes de géométrie rectangulaire

très allongée, entrainant une directivité très ouverte dans le plan vertical (environ 15° de

manière à insonifier largement en distance transversale et en évitant la surface de l’eau) et très

étroite dans le plan horizontal (environ 1°, de manière à avoir un faisceau très résolvant). Ces

antennes sont installées soit de part et d’autre de l’axe de la coque du bateau, soit sur un

poisson performant d’un point de vue hydrodynamique et traîné près du fond afin d’assurer

une bonne stabilité lors du déplacement. Pour ce qui est du récepteur, celui-ci est du même

type que pour un sondeur.

En ce qui concerne la fréquence employée par de tels systèmes, elle est généralement élevée

(le plus souvent dans la centaine de kHz). Le fait d’utiliser une fréquence élevée permet

d’assurer les caractéristiques de directivités recherchées pour des antennes de taille petite, et

une résolution en distance de quelques centimètres. La portée d’un tel système est alors

limitée à quelques centaines de mètres du fait de l’amortissement assez rapide des signaux de

haute fréquence dans l’eau. Cependant une alternative à ce problème à été trouvée, il s’agit de

la technologie « CHIRP »

2.5.2. Le CHIRP SONAR latéral

Un SONAR latéral ordinaire émet une onde acoustique à une fréquence donnée

constante. Cependant, il y a, pour ce type de SONAR, un conflit entre la portée et la résolu-

tion. En effet, on a vu qu’une haute fréquence permet d’améliorer la résolution spatiale au

détriment de la portée, et inversement, une basse fréquence ainsi qu’une forte augmentation

de la puissance d’émission permet d’avoir une meilleure pénétration, et donc portée, au

détriment de la résolution.



La méthode CHIRP1 ou « technologie de rythme de compression », permet, par l’amélioration

du rapport Signal/Bruit, d’augmenter la résolution du système sans pour autant diminuer sa

portée. Pour cela, le SONAR va effectuer une modulation de fréquence linéaire générant ainsi

une onde ayant une amplitude variable dans le temps. Ainsi, contrairement à une onde

habituellement générée par un SONAR classique, celle-ci est composée de plusieurs pics en

amplitude croissante puis décroissante, la Figure 5 montre la différence entre le signal d’un

émetteur CHIRP et le signal d’un émetteur classique.

Généralement, la fréquence de modulation varie de quelques kHz, et cette méthode permet

donc de conserver une résolution de l’ordre de 10cm à plus de 1 000m de portée.

De nombreux types de SONAR utilisent maintenant cette technologie afin d’être le plus

polyvalent possible, c’est à dire pour avoir une portée suffisamment importante (de plus de

1000m) avec une résolution de distance plus que correcte (de l’ordre de quelques cm).

2.5.3. Le SONAR par interférométrie

Un SONAR interférométrique, plus communément appelé SONAR bathymétrique ou

encore SONAR multifaisceaux, est composé d’un alignement de récepteurs situés à l’intérieur

du transducteur. L’intervalle séparant ces différents récepteurs dépend de la longueur d’onde

du faisceau acoustique employé. L’onde acoustique émise est réfléchie par le fond dans

toutes les directions et est captée par chaque réflecteur sous un angle différent. Le SONAR va

ensuite déterminer la phase de l’onde renvoyée par le fond et décomposer la période du signal

en fonction du nombre de récepteurs qui le constitue.

L’emploi d’un algorithme va ensuite permettre de déterminer la distance entre un récepteur et

le point réfléchi au sol, en prenant en considération l’angle d’incidence du signal au niveau du

récepteur ainsi que la différence de temps de propagation de l’onde entre chacun des récep-

teurs. Plus de détails concernant cette technique de mesures bathymétriques sont énoncés dans

le Journal de la Société de Technologie Marine (Llort-Pujol, et al., 2012)

L’avantage de ce système est qu’il est possible, par la technologie employée, d’effectuer des

mesures bathymétriques en plus d’avoir une imagerie de haute résolution et s’étendant sur une

large fauchée. D’autre part, son utilisation dans des milieux où la profondeur d’eau est très

faible (moins d’un mètre) parait plus judicieuse que l’emploi d’un sondeur multifaisceaux de

par son ouverture ; d’autant plus que dans le cas de courtes distances, ce dernier a tendance à

recevoir des faisceaux saturés. Cependant, malgré le coût plus faible de ce matériel, lié à la

simplicité de l’acoustique et des composants électroniques de réception, celui-ci ne peut pas

fournir de données bathymétriques à la verticale et a un taux de mauvaises détections du fond

1 Compressed High-Intensity Radiated Pulse

Figure 5 : Signal d'un émetteur CHIRP (a) et signal d'un émetteur classique (b)

source : INTECHMER (2007)



plus élevé qu’un multifaisceaux puisqu’il a plus de mal à différencier deux échos de même

distance ayant une incidence différente.

Ainsi ce type de SONAR semble s’avérer être très utile pour ce que nous cherchons à réaliser

pour l’inspection des canaux et tunnels canaux dont la profondeur d’eau est très faible.

Certains tests et projets ont déjà été réalisés avec ce type d’appareil dans des zones de très

faibles profondeurs, ou pour des levés bathymétriques couvrant totalement la largeur des

rivières ou des canaux comme on peut le voir en Figure 6 et Figure 7.

Le SONAR interférométrique EdgeTech 4600 (“swath bathymetry & side scan SONAR”)

produit une imagerie et une représentation tridimensionnelle du fond marin de haute résolu-

tion. Il est composé de 8 transducteurs en réception et d’un transmetteur. Il a la capacité

d’identifier et de rejeter les effets de multi-chemins, de réverbérations et de bruits acoustiques

permettant ainsi d’avoir une résolution de distance de 2cm pour l’imagerie et de 3cm pour la

bathymétrie en utilisant une fréquence de 540kHz. L’ouverture, jusqu’à 200°, permet de

couvrir en un seul passage l’ensemble de la rivière ou du canal étudié. La Figure 6 présente

une vue de la New River en Floride après traitement des données tridimensionnelles du

SONAR 4600. La Figure 7 nous montre les résultats en temps réel que l’on peut obtenir avec

ce système lors d’une démonstration par ECA-Robotics à Marseille en 2010, ayant intégré ce

SONAR à l’USV Inspector1.

1 L’USV Inspector est un Véhicule Autonome de Surface ayant une plateforme modulaire capable d’intégrer

différents capteurs pour des missions de divers types : Bathymétrie en eau peu profonde ; Opérations océanogra-

phiques en zone littoral et rivière ; Surveillance et protection d’installation Offshore.

Figure 7 Visualisation en temps réel des données acquises par le SONAR EdgeTech 4600. Source : Philippe

GOARANT, Responsable Hydrographique MacArtney France.

Figure 6 Représentation 3D du fond de la New River en Floride sondé avec le SONAR

EdgeTech 4600, source : Nick LAWRENCE, Directeur, Développement des affaires

internationales EdgeTech.

Profil de données bathymétriques à l’instant t Nuage de points 3D compilé

Imagerie SONAR



Selon l’offre budgétaire proposée par Philippe GOARANT de chez MacArtney France, le

coût d’un tel système est de 85 000€, comprenant les softwares de visualisation et de traite-

ment des données Hypack Max & Hysweep Acquisition, l’ordinateur de suivi ainsi que du

matériel de fixations et connectiques. Un montant nettement inférieur à ceux proposés pour

des échosondeurs multifaisceaux et dont l’utilisation serait plus appropriée dans le cas de très

petit fond.

2.5.1. Le SONAR à synthèse d’ouverture (SAS)

Inspiré du principe de fonctionnement des radars à synthèse d’ouverture créés dans le

courant des années 50’, ce type de SONAR consiste à combiner les échos provenant de

plusieurs émissions afin de synthétiser une antenne virtuelle dont la longueur est largement

supérieure à celle de l’antenne réelle (Amate, et al., 2007). Sachant que la résolution d’un

système SONAR est inversement proportionnelle à la taille de l’antenne, le fait de procéder à

la synthèse d’une antenne de grande taille permet d’obtenir une meilleure résolution tout en

ayant une antenne réelle de petite taille, élément intéressant pour les véhicules d’inspection

téléguidés de petite taille.

Avec ce système, un objet posé sur le fond n’est plus observé qu’une seule fois lors du

passage du SONAR, mais chacun des récepteurs de l’antenne synthétique va observer le

même objet sous des angles légèrement différents. Ainsi en combinant plusieurs émissions

successives réalisées pendant le déplacement du poisson, le SAS (Synthetic Aperture

SONAR) permet d’obtenir, pour de faibles fréquences d’émissions, des images à très haute

résolution et de résolution constante quelque soit la portée. Cependant, de part le fait que l’on

fait intervenir des données issues de différentes positions successives du SONAR, il est

primordiale de déterminer précisément les informations de navigation (Cap, roulis et tangage)

de celui-ci lors de son avancement. Des algorithmes, tel que « Displaced Phase Center »

(DPC) dont une application est présentée dans le rapport de (Dong, 2007) ou encore « Ping-

toPing Cross Corelation » (P2C2) présenté dans les travaux de (Billon, et al., 2002), sont

basés sur les propriétés du signal reçu par chaque capteur pour déterminer le mouvement de

l’antenne. Cependant, à l’heure actuelle et selon (Amate, et al., 2007), la meilleure méthode

permettant de définir les variations d’attitude du SAS est l’emploi d’une centrale inertielle

parfaitement hybridée avec celui-ci.

Ayant remarqué les capacités intéressantes que possède le SONAR à synthèse d’ouverture, et

notamment concernant la haute résolution des images restituées, des SAS interférométriques

ont été développés afin d’obtenir un système ayant la capacité d’imager et d’effectuer des

mesures bathymétriques avec une haute résolution. Pour le moment peu de systèmes de ce

type sont vendus sur le marché, car ils font encore l’objet d’un certain nombre de recherches

et développement dans le but de toujours obtenir de meilleurs résultats concernant la résolu-

tion de l’image, la précision des mesures bathymétriques ou encore la détermination de

l’attitude du poisson durant son avancement. En général ces appareils sont développés par des

centres de recherches gouvernementales ou militaires, très appréciés dans la détection de

mine. On peut cependant présenter le SAS interférométrique Aquapix® développé par Kraken

SONAR System Inc. en Figure 8.

Figure 8 AquaPix® INSAS2 intégré au robot Alister 18 de chez

ECA Robotics. Source : Kraken SONAR System Inc.



2.5.2. Les SONAR d’imagerie 2D ou caméras acoustiques

A mi-chemin entre les SONAR classiques et les caméras optiques se trouvent les

caméras acoustiques se présentant comme un SONAR multifaisceaux ayant un taux de

rafraichissement de plusieurs images par seconde. Ce système à été créé afin de pallier aux

problèmes liés à ces deux systèmes et de conserver les avantages de chacun d’entre eux. En

effet, les SONAR traditionnels, bien qu’ils produisent des images avec une haute résolution

même à longue portée, ne fournissent cependant pas de séquences d’images de haute cadence

comme peux le faire un capteur optique. D’autre part leur utilisation reste encore contrai-

gnante dans les milieux portuaires où dans le cas de faible profondeur. En ce qui concerne les

caméras optiques, souvent employées pour observer l’environnement ou inspecter des

infrastructures sous-marines, sont vite limitées par les conditions du milieu marin, notamment

le manque de visibilité et la turbidité du milieu ne permettant pas d’avoir une observation

continue (Brahim, et al., 2014).

Les caméras acoustiques fonctionnent aussi bien en eau claire qu’en eau turbide, et peuvent

être utilisées de façon indifférente en statique ou en dynamique. Leur encombrement étant

minime, elles peuvent aisément être utilisées par des ROVs1, des plongeurs ou depuis la

surface. La gamme de fréquence généralement employée se trouve entre 2.25MHz et 450kHz

procurant ainsi au système une portée respective de 15 à 200m et une résolution centimé-

trique. L’imagerie haute résolution est réalisée à l’aide de lentilles acoustiques qui ont la

capacité d’acquérir des séquences d’images multi-vues avec une haute cadence, de 4 à 20

images par seconde, permettant de visualiser les fonds marins avec une qualité proche d’une

vidéo classique. De plus, ce système permet d’obtenir des séquences d’images bien plus

riches en informations qu’une image SONAR, c’est la raison pour laquelle elles sont particu-

lièrement appréciées pour le texturage de modèles 3D ou pour l’identification des poissons

observés.

Le désavantage de cet appareil réside dans le fait que les données acquises ne permettent pas

d’avoir une approche tridimensionnelle des fonds marins ou des infrastructures immergées

observées et que le champ de vision de celui-ci reste relativement restreint (inférieur à 30°),

que ce soit pour la caméra acoustique DIDSON (Dual-frequency Identification SONAR) ou

encore l’ARIS Sentinel 3000. Cependant, il serait possible de réaliser une reconstruction 3D

de l’environnement subaquatique à partir d’images acquises par des caméras acoustiques. Le

principe de la stéréovision est à la base du développement des algorithmes permettant cette

reconstruction 3D, mais la géométrie et la nature bruitée des images acoustiques ne permet-

tent pas une application directe de ce principe. La méthodologie ainsi employée se base sur la

conception d’un processus d’extraction de points saillants pertinents sur lesquels va venir

s’appuyer la reconstruction 3D de la scène. Cette modélisation 3D est réalisée à l’aide de

l’algorithme d’optimisation CMA-ES2 intervenant dans le calcul du mouvement de la caméra

entre les images. La détermination de ce déplacement étant importante pour l’estimation des

1 Remotely Operated Vehicle : est un petit véhicule sous-marin filoguidé et contrôlé à distance, contrairement

aux AUV (Autonomous Underwater Vehicle) qui sont entièrement autonome. 2 Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy ou stratégies d’évolution avec adaptation de matrice de

covariance. Il s’agit d’un algorithme basé sur l’adaptation, au cours des itérations, de la matrice variance-

covariance de la distribution multi-normale utilisé pour la mutation. Cette méthode à été proposée par A.

Gawelczyk, N. Hansen et A. Ostermeier à la fin des années 90. Plus de détail à propos de cet algorithme sont

présenté sur le site web (Hansen, 2014) ou encore sur le premier document publié concernant cette méthode

(Adaptating arbitrary normal mutation distributions in evolution strategies: The covariance matrix adaptation,

1996)



informations 3D. L’utilisation et l’analyse de la performance de cet algorithme dans le cas

d’images acquises par des caméras acoustiques ont été récemment réalisées par (Brahim, et

al., 2014) en se basant sur des critères de bonne détection, de rentabilité et de bonne localisa-

tion puis en comparant les informations 3D estimées à des données réelles.

2.5.3. Les caméras acoustiques 3D

Une caméra acoustique tridimensionnelle fonctionne sur le même principe qu’une

caméra acoustique 2D mais va corriger les erreurs et ambigüités de cette dernière en prenant

en compte la distance entre les surfaces observées et le système, soit en mesurant la distance

entre le microphone et chaque point spatial enregistré.

Ces caméras produisent donc des images plus précises et permettent une modélisation 3D en

temps réel de l’objet observé. Le problème majeur rencontré pour ce type d’instrument est que

lorsqu’un son (ou écho) ne provenant pas de la cible observée est capté par la caméra

acoustique 3D, ce son (ou bruit, voir Chapitre III - Le bruit sonore) peut être intégré aléatoi-

rement au modèle 3D généré si les capacités de discrimination de l’appareil n’ont pu isoler ce

son.

La caméra acoustique 3D Echoscope® de chez CodaOctopus® est la plus connue à ce jour, de

part le fait qu’elle est la seule à employer une antenne réseau à commande de phase (Soit en

anglais PA : Phased array), et génère simultanément plus de 16 000 faisceaux avec un taux de

rafraichissement jusqu’à 12 fois par seconde, produisant quasi instantanément une image

SONAR tridimensionnelle de tout objet en mouvements ou fixe. Bien que le système produit

largement plus de données qu’un échosondeur multifaisceaux, celui-ci a une précision

moindre sur la résolution spatiale des points enregistrés, soit de plusieurs centimètres. D’autre

part l’ouverture de 50°x50° de cette caméra, malgré le fait qu’elle permet d’éviter l’effet

d’ombre portée (voir Chapitre III - L’ombre portée), reste bien plus faible qu’un système

multifaisceaux. C’est la raison pour laquelle cet instrument est particulièrement apprécié dans

le domaine parapétrolier ou pour tout type de travaux sous marins tel que dragage, pose

d’enrochement, grappinage, etc. En effet cette caméra acoustique permet d’avoir un visuel en

direct centralisé sur les structures et lors d’interventions sous marines. On peut voir sur la

Figure 9 le montage sur une pelle de manutention d’une caméra acoustique 3D Echoscope®

lors de la pose d’enrochement, ainsi que le modèle 3D généré en temps réel.

Figure 9 Caméra acoustique Echoscope® montée sur une pelle de manutention pour la pose d'enrochement (à

gauche), visuel tridimensionnel en temps réel (à droite) Source : Coda Octopus

(https://www.youtube.com/watch?v=hUJZrwxrssk)



La société SUB-C Marine basée à Feyzin, étant en possession de cet instrument, nous a fait

part du fait qu’elle a déjà tenté de réaliser un modèle 3D d’un tunnel subaquatique en

orientant l’Echoscope® dans l’axe de la conduite (forward looking) d’un véhicule sous-marin

téléguidé. Cependant, du fait d’un positionnement peu probant, et de la précision demi-

décimétrique des données obtenues, il fut impossible de procéder à une reconstitution fine et

exacte du tunnel étudié. Ainsi, cette caméra acoustique 3D reste un outil dont le principal

objectif est d’inspecter en temps réel des infrastructures sous-marines, cependant les modèles

tridimensionnels issus des enregistrements, restent exploitables hormis pour de la métrologie

subaquatique. A noter que pour procéder à un post-traitement des données 3D de

l’Echoscope®, un logiciel autre que celui nécessaire lors des acquisitions (CodaOctopus

USE™) est obligatoire, sachant qu’il est possible d’exporter les mesures sous la forme d’un

fichier xyz.

Cette caméra est donc un instrument réunissant les atouts d’une caméra optique, d’une caméra

acoustique 2D et d’un échosondeur multifaisceaux. Ainsi, malgré les quelques inconvénients

que cet appareil présente (comme la largeur de fauchée limitée par l’ouverture de 50°x50°),

celui-ci se présente comme étant le système le plus au point dans l’inspection

tridimensionnelle d’infrastructure submergée. Cependant le coût d’un tel appareil est

important, il faut compter entre 200 000 et 220 000€ pour en faire l’acquisition. Une autre

caméra acoustique 3D moins couteuse à aussi été développée par la société CodaOctopus, il

s’agit de la Dimension® ayant a peu près les mêmes caractéristiques que l’Echoscope® mais

dont les performances sont moindres. Le Tableau 2 récapitule les caractéristiques techniques

de ces deux caméras acoustiques.

Dimension-

90® Echoscope®

Fréquence 240kHz 375kHz

Nombre de faisceaux 8192 (128*64) 16384 (128*128)

Portée maximum >120m 120m

Portée minimum 1m 1m

Résolution de distance 3cm 3cm

Taux de rafraichissement 20Hz 12Hz

Couverture angulaire 90°x30° 50°x50°

Espacement entre faisceaux 0.54°x0.37° 0.39°

Dimensions (h.l.p.) (mm) 365*285*160 380*300*160

Masse dans l’air 20kg 22kg

Masse dans l’eau 10kg 12kg

Prix 95 000 à

120 000€ 200 000 à 220 000€

Tableau 2 Caractéristiques techniques des caméras acoustiques 3D de chez CodaOctopus. Source : Brochure

technique et Gareth Simpson



Figure 10 Teledyne Blue

View BV5000 sur trépied

avec tête panoramique et

d'inclinaison. source :

Documentation BlueView

2.5.4. Les SONAR bathymétriques 3D

Les SONAR bathymétriques 3D, appelés aussi scanners

SONAR à double axe, sont des systèmes semblables à des

scanners lasers terrestres. En effet, ces SONAR interféromé-

triques sont généralement déployés sur des trépieds spéciaux

comme présenté sur la Figure 10, posés au fond de l’eau, sur

lequel une tête rotative permet au SONAR bathymétrique 2D

d’exercer une rotation mécanique et de générer ainsi une

imagerie à 360° et un nuage de points tridimensionnel au même

titre que les scanners lasers. Le SONAR fonctionne en scannant

mécaniquement une fine bande verticale (dont la largeur

correspond à l’ouverture du système déployé) puis va progres-

sivement tourner autour d’un axe vertical et horizontal afin de

procéder au lever de toute la zone que l’on souhaite observer.

Pour chaque direction, le SONAR va générer un profil de la

surface étudiée et l’assembler aux autres profils déjà réalisés

afin de créer un nuage de points 3D similaire à celui que l’on

peut voir en Figure 11. Ainsi, ce système permet de réaliser des

levées bathymétriques et d’imageries 3D de hautes résolutions

jusqu’à environ 30m de rayon. De part la très haute fréquence

employée par de tels appareils (de l’ordre du MHz), la restitu-

tion des informations permet une analyse relativement fine et

précise (centimétrique) des objets ou infrastructures inspectées, même si la turbidité de l’eau

est importante et la visibilité quasiment nulle.

Figure 11 Inspection d'une sortie de groupe de restitution, source : Présentation générale 2014 de la société Sub-C

Marine.

Ce type de SONAR est très apprécié dans les zones confinées ou lorsque le niveau d’eau

(entre 1 et 5 mètres) rend impossible la navigation ou l’emploi de système traîné. Cependant

son utilisation ne peut pour le moment que se faire en statique, c'est-à-dire à l’aide d’un

trépied posé sur le fond marin. L’utilisation en dynamique reste encore en cours de dévelop-

pement et est plus complexe à mettre en place étant donné que les frottements de l’eau vont

mettre sous pression le mécanisme de rotation entrainant la détérioration de celui-ci. D’autre



part le traitement des données sera bien plus complexe puisqu’il faudra non seulement prendre

en compte l’orientation de l’embarcation (soit les variations angulaire : roulis, tangage et cap)

mais aussi celle du SONAR en rotation.

A l’heure actuelle il n’existe pas beaucoup de système de ce type ; les deux ayant réellement

émergé sur le marché proviennent de deux gros constructeurs : Kongsberg (pour la série

1171) et Teledyne (pour le BV5000).

Le Teledyne Blue View BV5000, présenté en Figure 10, est l’association du SONAR

bathymétrique de haute résolution MB1350 ou MB2250 avec une tête panoramique et

d’inclinaison. Ce système a la grande particularité de pouvoir fournir en sortie des données

dans un format.xyz, pouvant être traitées sur différents logiciels généralement utilisés pour le

traitement de données acquises par scanner laser (le software Leica Cyclone pouvant être de

base le logiciel fourni avec le système pour traiter les données acquises par celui-ci). D’autre

part, cet appareil fournit des résultats avec une résolution de 1 à 1.5cm selon que l’on utilise

respectivement une fréquence de 1.35MHz ou de 2.25MHz. Cependant le coût de ce système

est d’environ 110 000€, et ce prix ne prend pas en compte les logiciels de traitements.

En ce qui concerne la série de scanner SONAR 1171 de chez Kongsberg, ces derniers

fonctionnent sur le même principe que le BV5000, à la différence près que l’acquisition des

données doit obligatoirement être réalisé sur la version 4.6 ou ultérieure du software MS1000

du même producteur permettant de générer des données 3D détaillées, pouvant être par la

suite traitées sur Trimbe Realworks ou encore Leica Cyclone.

Ainsi, ce système, notamment le Blue View 5000, pourrait s’avérer très intéressant dans

l’inspection des parties immergées des tunnels-canaux, même si en mode dynamique, ce

SONAR ne peut pas encore être déployé avec sa tête panoramique (Projet toujours en phase

de développement) et ne peut donc être utilisé qu’en étant, par exemple, fixé au bout d’une

perche dont l’orientation du SONAR sera ajustable et définissable. Le seul inconvénient, dans

ce cas, est l’ouverture du SONAR qui est de 45°, limitant ainsi le champ de vision et la

possibilité d’avoir dans son intégralité, et en un passage, la partie des murs immergés.

22..66.. BBAATTHHYYMMÉÉTTRRIIEE PPAARR SSCCAANNNNEERR LL AASSEERR

2.6.1. Lidar aéroporté bathymétrique

Le système de bathymétrie par laser aéroporté (soit en anglais : ALBS, Airborne Laser

Bathymétrie System), aussi appelé LiDAR Bathymétrique, est une technique permettant de

mesurer la profondeur d’eau en zone côtière ou peu profonde depuis les airs, par l’emploi

d’un scanner laser. Récemment, les progrès réalisés dans le développement de cette technolo-

gie permettent à présent d’avoir une capacité de mesures bathymétriques d’une fréquence de

250kHz, fournissant ainsi une densité d’environ 10-20 points/m² (Mandlburger, et al., 2011).

Afin de procéder à la mesure du fond marin, les systèmes LiDAR bathymétriques émettent

deux impulsions laser de longueur d’onde différente, l’une émise dans le bleu/vert visible

(λ=532nm) et l’autre émise dans le proche infrarouge (λ=1064nm). Comme l’explique

(Mobley, 1994), le faisceau laser vert va être partiellement réfléchi par la surface de l’eau,

puis rétrodiffusé le long de la colonne et enfin réfléchi par le fond. Un télescope va recueillir

l’ensemble de ces énergies lumineuses rétrodiffusées et les numériser. On obtient ainsi, en

visualisant l’intensité du signal retour en fonction du temps, un train d’ondes retour composé

typiquement de deux pics bien distincts que l’on peut voir sur la figure 14. Le premier pic

correspond au rayon laser réfléchi par la surface, tandis que le second représente le moment



où il est réfléchi par le fond. Entre les deux pics on constate la composante relative à la

rétrodiffusion du rayon laser par la colonne d’eau. Classiquement, on déterminerait la

profondeur de l’eau en mesurant la différence temporelle entre le pic de surface et le pic de

fond. Cependant, afin d’améliorer la précision lors de la détermination de la position de la

surface de l’eau, les systèmes actuels (tel que le scanner laser bathymétrique Riegl VG-820-

G) émettent conjointement une seconde impulsion laser proche-infrarouge(Guenther, et al.,

2000). Ce rayon laser va quant à lui être presque intégralement réfléchi la surface de l’eau.

Ainsi, l’emploi de ce rayon laser fournit une seconde détermination de la surface de l’eau et

permet, par la polarisation du signal retour ou par son amplitude, de distinguer la nature de la

surface réfléchissante (terre ou eau).

Le principal problème de ce système réside dans le fait que la vitesse de propagation de la

lumière dans l’air et dans l’eau n’est pas identique, entrainant ainsi une réfraction du faisceau

laser vert suivant les lois de Snell-Descarte. Il est donc important de bien déterminer le niveau

de la surface de l’eau, car une erreur sur cette grandeur entraine rapidement une erreur sur la

position 3D du fond marin (d’où l’importance de l’emploi d’un faisceau laser infrarouge).

Pour palier à ce problème, la plus part des scanners laser bathymétriques aéroportés émettent,

comme on peut le voir sur la Figure 12, le rayon laser vert avec une inclinaison de 20° de

manière à ce que le rayon réfracté sous la surface de l’eau est un angle d’environ ±1° par

rapport à la verticale (Mandlburger, et al., 2013).

Figure 12 Schéma de principe d’un LiDAR bathymétrique. A gauche le faisceau laser topographique

(Infrarouge), à droite le faisceau laser bathymétrique (Bleu-Vert). Pour chaque faisceau est représenté le train

d’onde retour. Source : (Mandlburger, et al., 2013)



Le principal avantage d’un tel système est que, pour un même laps de temps, la surface

couverte est environ 100 fois plus importante que celle couverte à l’aide un sondeur multifais-

ceaux petits fonds. D’autre part, monté sur un hélicoptère, celui-ci rend possible la mesure du

fond des rivières de montagne ou d’étendues d’eau inaccessible à la navigation. Cependant,

malgré ces avantages, l’intégration d’un scanner laser bathymétrique sur un bateau pour

mesurer le fond marin (de canaux par exemple) ne peut être envisageable. En effet, en

l’abaissant au niveau de l’eau, la zone étudiée serait considérablement réduite, d’autant plus

que la détermination du niveau de l’eau serait moins précise. D’autre part, la bathymétrie par

laser dépend grandement des conditions météorologique (brume, pluie) et de la nature de la

colonne d’eau (turbidité, visibilité, présence de sédiments en suspension, etc.). A noter que,

dans le meilleur des cas, la précision sur la mesure de fond par un tel système est de ± 20 cm !

contre quelques centimètres pour un sondeur multifaisceaux.

2.6.2. Scanner laser 3D sous-marin

En 1999, K. Moore et al. ont mis au point un scanner laser sous marin basé sur le

principe de la triangulation laser fournissant des données microbathymétriques de haute

résolution dans un environnements aquatique. La précision des mesures de distances de ce

système est d’environ 3mm à 2 mètres de distance, valeur se dégradant exponentiellement au-

delà de cette portée jusqu’à fournir une imprécision d’environ 10 centimètres à 10 mètres

(portée maximale du système) (Moore, et al., 1999). Il s’agit d’une limite fondamentale à la

méthode de triangulation qui restreind ainsi son emploi en tant qu’outil de mesure sous-

marine.

Cependant, la société « 3D at Depth » a débuté le 19 janvier 2011, en association avec le

RPSEA (Research Partnership to Secure Energy for America, ayant investi plus de 2 millions

de dollars), une importante campagne de recherches et développements sur un système laser

tridimensionnel de haute résolution pour l’environnement sous-marin et appliqué à l’industrie

du pétrole et du gaz et dans le domaine de la métrologie sous-marine. Au cours de ce projet se

finalisant en Aout 2014 et ayant coûté pour le moment plus de 3, 500,000$, CDL Inc. a fourni

un support matériel et mis à contribution des ingénieurs experts afin d’aider dans le dévelop-

pement et l’usinage d’un tel appareil.

Les scanners laser terrestres produisent généralement des données avec une précision spatiale

et de distance centimétrique à plusieurs centaines de mètres. Du fait de l’absorption de la

lumière dans l’eau, la portée d’un tel système développé pour le milieu subaquatique est

limitée à quelques dizaines de mètres dépendant notamment des conditions dans l’eau. Ce

programme de développement, dont le rapport final présente les différentes étapes du

développement (Embry, et al., 2012), a ainsi permis de conceptualiser un scanner laser sous-

marin ayant une précision de 3mm sur des mesures réalisées à plus de 8 mètres et pouvant être

fixé à un ROV.

La tête optique est composée d’un sous-système de transmetteurs, le système de réception

(détecteur optique) et le scanner. Le système est constitué d’un cristal Nd-Yag1 dopé au

néodyme2 et pompé optiquement par une diode infrarouge (λ=808nm), et dont le faisceau

1 Il s’agit d’un cristal utilisé comme milieu amplificateur pour les lasers utilisant des milieux de propagations

solides. Plus de précision dans (Koechner, 2006) 2 Le néodyme (Nd) est un métal gris argent du groupe des terres rares très résistant à la corrosion souvent utilisé

dans la fabrication d’aimants ou de lasers très puissants. (Source : MTL index)



lumineux est immédiatement doublé en fréquence à l’intérieur d’un cristal KTP1 permettant

de générer une lumière verte (λ=532nm) dont la force de pénétration dans l’eau turbide est

plus importante qu’une lumière bleue (λ=475nm). Le récepteur consiste en une photodiode de

silicium à grande vitesse, et un galvanomètre à balayage à double-axe. Après de multiples

tests, réglages et calibrages, le scanner 3D laser sous-marin INSCAN présenté en Figure 13, et

désormais vendu par Teledyne CDL, est le premier appareil de mesure par impulsion laser

utilisé pour la métrologie sous-marine de haute résolution. Son champ de vision est de

30°x30° et peut être poussé à 360° par l’intégration d’une tête panoramique et d’inclinaison. Il

est capable de cartographier avec une précision sub-centimétrique des structures jusqu’à 25m

de portée avec un taux d’échantillonnage modulable allant jusqu’à 40 000 points / seconde.

De récentes campagnes de mesures ont permis de prouver l’efficacité du système pour

l’industrie du pétrole et du gaz, notamment lors d’un relevé à 2130 mètres de profondeur,

dans le golf du Mexique, d’un collecteur sous-marin que l’on peut voir en Figure 14.

22..77.. CCOONNCCLLUUSSIIOONN

A l’heure actuelle, les appareils et techniques d’imageries et de cartographies sous-

marines ne manquent pas. La technologie et les matériaux employés pour chacun d’entre eux

en font leur principale différence et définit leur capacité soit à imager soit à numériser

tridimensionnellement les fonds observés. Nous retiendrons de cet état de l’art deux types de

systèmes bien distincts : Dans un premier temps les systèmes imageurs tels que les SONARs

et les caméras acoustiques, dans un second temps les systèmes de cartographies sous-marines

tels que les SONAR interférométriques et les échosondeurs multifaisceaux.

Le système d’inspection présentement en cours de développement a pour but de restituer un

modèle 3D complet des structures à la fois immergées et émergées des canaux et tunnels-

canaux. Ainsi les appareils les plus à même de nous apporter ces informations concernant les

parties submergées sont les SONARs interférométriques et les échosondeurs multifaisceaux.

1 (KTiOPO4 ou KTP) Le titanyl phosphate de potassium, est un matériau couramment employé en optique non

linéaire pour le doublage de fréquence de diode laser. (Source : Wikipédia)

Figure 14 Résultats d'une campagne LiDAR sub-aquatique menée à 7000 pieds

de profondeur à l'aide du scanner laser sous-marin SL1 (INSCAN) par 3D at

Depth. Source : http://youtu.be/6R74NbqywLU

Figure 13 : Scanner laser 3D

sous-marin produit par

Teledyne CDL INSCAN et mis

au point par la société

Américaine 3D at depth.

Source : brochure Teledyne.

http://youtu.be/6R74NbqywLU



Cependant, dans la configuration bien particulière de l’environnement dans lequel le système

d’inspection est amené à travailler, il est nécessaire de s’orienter vers un échosondeur

multifaisceaux. En effet, bien que le SONAR interférométrique soit un système intéressant de

part sa largeur de fauchée, la qualité de l’imagerie et son faible coût, cet appareil présente une

contrainte non négligeable et risquant d’affecter grandement la précision du nuage de points

généré. Cette contrainte est, comme nous l’avons vu, l’incapacité du système à discriminer

angulairement la provenance des échos sonores. Ainsi cet instrument est particulièrement

performant dans des zones où le fond insonifié a un relief relativement faible, mais devient

inadéquate pour la modélisation de récif corallien ou pour l’inspection d’ouvrages d’arts

verticaux.

En conclusion, l’appareil le plus à même de répondre à nos besoins est l’échosondeur

multifaisceaux. Bien qu’il s’agisse d’un système extrêmement couteux, ce système permet

d’obtenir le modèle tridimensionnel des parties immergées des canaux et tunnels-canaux le

plus précis possible et dont les signaux acoustiques seront le moins perturbés par toutes

distorsions et effets propres à cet environnement. Dans le Tableau 3 Caractéristiques tech-

niques de sondeurs multifaisceaux en adéquation avec le système d'inspectionsont présentés

des SMF dont les caractéristiques techniques, la disponibilité et l’utilité sont le plus en

adéquations avec le système en cours de développement.

Spécifications du système

Teledyne Reson Seabat 7101

Teledyne Odom MB1

R2Sonic 2020 Odom ES3

Détenteur Prime GPS Acthyd (Subtop) Cadden & VNF

Palavas LR Blois

Fréquence 240kHz 170kHz – 220kHz 200kHz – 400kHz 240kHz

Faisceau longitudinal

1.5° N.R. 2°

Étroit : 0.75°

Moyen : 1.5°

Large : 3°

Faisceau transversale

1.8° N.R. 2°

Étroit : 0.75°

Moyen : 1.5°

Large : 3°

Nombre de faisceaux

Jusqu’à 511 10 à 512 256 120 – 240 - 480

Ouverture 150° (210° en

option) 10° à 120° 10° à 130° 120°

Portée Max. 500m 240m 500m 100m

Longueur de Pulse

20µs à 225µs 50µs à 700 µs 15µs à 500 µs N.R.

Résolution de distance

1.25cm 3.6cm 1.25cm 0.02% de la

distance

Ping rate 40Hz N.R. 60Hz 14Hz



Spécificité Large ouverture

CI intégrable Faible coût

Stabilisateur de

roulis, sortie

données brutes

CI intégrable

Prix ≈ 140 000€ ≈ 80 000€ ≈ 90 000€

Plus commercialisé,

remplacé par le

MB1

Tableau 3 Caractéristiques techniques de sondeurs multifaisceaux en adéquation avec le système d'inspection

Il aussi important de notifier que ces types d’appareils sont contrôlés par des logiciels bien

spécifiques, permettant l’acquisition et le traitement des mesures bathymétriques. Il existe de

nombreux logiciels typiques dont les plus utilisés dans le domaine sont :

- Triton Imaging

- SonarWiz

- Caris

- QPS QINSy

- HYPACK, HYSWEEP (le plus utilisé)

Le coût d’une licence varie entre 7 000€ et 10 000€, mais peut être amoindri s’il est intégré

dans une offre d’achat pour un sondeur multifaisceaux. Il est donc préférable en général de

passer par un distributeur (type Cadden ou Subtop) pouvant à la fois proposer un instrument

de mesures bathymétriques et un logiciel de traitements en adéquation avec l’appareil. Le

logiciel HYPACK et ces extensions tel que HYSWEEP semble être le programme le plus

intéressant de par sa capacité à gérer de nombreux SMF différents, la possibilité d’intégrer des

données provenant de mesures extérieures (ex : calcul de trajectoire par odométrie visuelle ou

par tachéométrie) dans de nombreux formats de fichiers.

Les multiples échanges effectués dans le but d’avoir de plus amples informations sur le

fonctionnement, le coût et les capacités de ces appareils et logiciels ont permis d’établir un

premier listing de contacts (Annexe J) susceptible d’aider dans l’avancement du projet.



II II II .. IINNTTÉÉGGRRAATTIIOONN DD ’’UUNN SSYYSSTTÈÈMMEE DDEE MMEESSUURREE

HHYYDDRROOGGRRAAPPHHIIQQUUEE

33..11.. SSOONNAARR ÀÀ BBAALLAAYYAAGGEE LLAATTÉÉRRAALL

Nous avons vu dans le chapitre I (État de l’art des techniques bathymétriques et

d’inspection sous marine.) que les systèmes de mesures hydrographiques-bathymétriques sont

relativement couteux, et pour le LRPC de Strasbourg il n’est pas envisageable, pour le

moment, de procéder à l’achat d’un tel appareil.

Suite à la convention de partenariat signé par le CETU, la DTerEst et VNF, ces derniers ont

mis à notre disposition un système SONAR latéral pour nous aider dans le développement de

notre projet.

3.1.1. Structure initiale du système

En vue de mieux comprendre ce à quoi correspond le système d’inspection actuelle-

ment existant, il semble important de rappeler les différents éléments qui le composent.

Comme présenté depuis les travaux de (Tisserand, 2011), le système d’acquisition photo-

grammétrique est composé d’un châssis aluminium/fer modulable sur lequel repose deux

caméras Marlin procédant à l’imagerie du piédroit (prise de vue latérale) et deux caméras Pike

orientables réalisant les prises de vue de la voûte (voir Figure 16). Les caméras sont gérées à

l’aide d’un poste informatique permettant le réglage de la balance des blancs, du gain et du

temps d’ouverture de chacune des caméras et d’un générateur basse fréquence permettant de

déclencher de façon régulière (à une fréquence de 5Hz, soit 5 images par seconde) les 4

caméras. Ces caméras, de la technologie Allied Vision, sont dotées de capteur CCD d’une

résolution de 1392x1040 pixels pour les Marlin et de 1920x1080 pixels pour les Pike.

A noter que les caméras Marlin permettent à la fois l’auscultation du piédroit du mur et le

positionnement du système par odométrie visuelle. En ce qui concerne les caméras Pike,

celles-ci permettent uniquement de procéder à l’inspection de l’intégralité de la voûte du

tunnel en orientant les caméras sous 3 angles différents comme présenté en Figure 15.

CCHHAAPPIITTRREE

32° 90° 148°

Figure 15 Orientation des caméras Pike (en rouge) et Marlin (en bleu) du système d'inspection. L'angle indiqué

correspond à l'orientation des caméras Pike. (inspiration [Tisserant,2011]).



3.1.2. Caractéristiques techniques

Le SONAR latéral utilisé est un STARFISH

452F (voir Figure 17) produit par la société britan-

nique TRITECH. Cet instrument d’une valeur

d’environ 6000€ est essentiellement utilisé pour

procéder à la recherche d’épaves.

Les caractéristiques techniques du SONAR issu de la

documentation technique relative à cet instrument

sont présentées dans le Tableau 4.

Spécification de la tête SONAR

Dimension

Longueur 378mm

Largeur 110mm

Hauteur 97mm

Poids Dans l’air Approx. 2kg

Dans l’eau Approx. 1kg

Corps Composition

Caoutchouc renforcé en

polyuréthane

Profondeur d’utilisation Jusqu’à 50m

Câble de remorquage

Longueur 50 m

Point de rupture >150kg

Composition Polyuréthane avec renforce-

ment en Kevlar

Diamètre 30mm

Figure 17 SONAR latéral STARFISH 452F,

source : Doc. technique Tritech

Figure 16 Configuration du système d'inspection en date du 18 mars 2014. .

Marlin

Pike

SONAR



Transducteurs

Disposition

Double transducteurs montés

en ailettes inclinés de 30° par

rapport à l’horizontal

Faisceau vertical 60° largeur nominale

Faisceau horizontal 0.8° largeur nominale

Acoustique

Fréquence 450kHz fréquence nominale

Portée

De 1 à 100m sur chaque

canal, couverture maximale

de 200m

Technologie CHIRP

Temps d’émission 400µs

Niveau de puissance en sortie <210dB Tableau 4 Caractéristiques techniques du STRAFISH 452F

3.1.3. Analyse du signal « CHIRP » au niveau des transducteurs

A l’aide d’un outil d’analyse du signal fourni par la société Tritech, il nous est possible

de visualiser le signal analogique/numérique du SONAR ainsi que le spectre de fréquences de

l’onde sonore au niveau des transducteurs tout en modifiant certains paramètres tels que la

vitesse du son, le retard, certaines contraintes du TVG, etc.

Ce SONAR fonctionne avec la technologie CHIRP permettant d’émettre une onde modulée

en fréquence. Ainsi la fréquence de l’onde sonore émise subit, lors de sa transmission, une

modulation de 40kHz de 430 à 470kHz comme on peut le voir sur la Figure 19. En modifiant

donc constamment la fréquence dans le temps (soit entre 430 et 470kHz), chaque transmission

« CHIRP » peut être considérée comme ayant une signature unique, permettant de distinguer

deux échos se chevauchant (ayant lieu lorsque la distance séparant deux objets est supérieure

à la résolution spatiale du système) en analysant la fréquence employée en fonction du temps

pour distinguer ces deux objets. La Figure 18 présente grossièrement le spectre d’un signal

« CHIRP » retour distinguant deux objets rapprochés.

Figure 18 Distinction de 2 objets rapprochés par l'emploi d'un signal modulé en fréquence. Source : Guide

programmeur StarfishSDK



Sur la Figure 19, nous pouvons observer l’amplitude du signal (CHIRP) généré au niveau des

transducteurs bâbord et tribord du SONAR lors de la modulation de fréquence. On remarque

un pic d’amplitude à 55dB à 450kHz correspondant au signal « CHIRP ». En rouge est la

trace du transducteur bâbord et en vert celle du transducteur tribord. En trait plein les valeurs

moyennes de l’amplitude de l’onde accoustique selon la fréquence déployée, et en trait fin les

amplitudes maximales. La Figure 20 représente la décharge de tension au niveau des

transducteurs en corrélation avec le spectre fréquentiel de la Figure 19.

Ces graphiques présentés en Figure 19 et Figure 20 nous permettent de vérifier la qualité et la

cohérence du signal généré au niveau des deux transducteurs. Ces mesures de caractéristiques

électroacoustiques du signal du SONAR entrent en compte dans le calcul de la sensibilité des

Figure 19 Spectre fréquentiel de la tension excitant les antennes du Starfish 452F.

Figure 20 Tension excitant les transducteurs bâbord et tribord du Starfish 452F. On remarque que l’effet

CHIRP et la mise en phase des signaux bâbords et tribords se font correctement.

55dB

40dB

450kHz



antennes en émission et en réception, et par conséquent dans le calcul du niveau réel

d’émission. On rappelle que le constructeur fournit un niveau d’émission NE < 210dB pour

un signal d’une durée de 0.4ms.

3.1.4. Les paramètres TVG du SONAR

Le niveau de l’écho d’un objet dépend essentiellement de la distance séparant cette

cible du SONAR. Ainsi, nous observerions, directement en sortie de traitement, des échos

dont l’amplitude dépendrait uniquement de la distance SONAR-Cibles et non pas de l’indice

de réfraction des objets en question. Cependant, afin de palier à ce problème, l’électronique de

réception du SONAR va procéder à une préamplification du signal électrique capté par les

antennes, un filtrage et une réduction de la dynamique des signaux avant de les numériser. Le

système procède donc à l’application d’un gain variable en temps (Time Varying Gain).

Chaque constructeur implémente leur propre loi TVG pour leur système, mais elle modélise,

en général, la décroissance de l’amplitude du signal due à la structure des ondes acoustiques

et aux propriétés du milieu dans lequel elles se propagent.

Cette loi est appliquée dès le début de la chaîne de traitement, avant que le signal analogique

soit converti en données numériques, afin d’éviter de dépasser les capacités du convertisseur

Analogique – Digital (ADC).

Une fois que les données sont acquises, une inversion de la loi TVG est réalisée afin de

revenir au signal physique.

Afin de procéder à une analyse quantitative des images acoustiques captées par le SONAR, il

est nécessaire de connaître en détail, tous les éléments mécaniques, physiques et algorith-

miques du système intervenant dans la formation de l’image. Cependant, nous n’avons pas

accès à toutes ces informations concernant le STARFISH 452F, néanmoins nous pouvons

avoir des données « pseudo-brutes », données brutes déjà prétraitées du gain variable en

temps et dont la structure est présentée en Annexe D.

Nous avons cependant pu, grâce à un outil d’analyse produit par Tritech (StarfishTool),

étudier la loi de TVG du SONAR ainsi que les grandeurs de certains paramètres.

Figure 21 Courbe représentative de la Loi de TVG du Starfish 452F. On remarque que l’amplification de l’écho capté

par le SONAR commence à partir de 6m.



La loi de TVG présentée en Figure 21 est fonction des paramètres de définition et de visuali-

sation suivants :

- Un coefficient d’absorption à 0.05

- Un scalaire de pente de x1.0

- Une plage de mesure de 100m

- Une plage de gain de 60dB

- Une représentation de 1000 échantillons

3.1.5. Résolution de l’image SONAR

La résolution du SONAR est sa capacité à distinguer deux objets séparés du fond. Elle

est définie par la taille de chacun des pixels formant l’image, et plus particulièrement le grain

de celle-ci.

Cette résolution va dépendre de 3 paramètres :

- La hauteur du SONAR par rapport au fond

- L’ouverture du lobe d’émission

- La fréquence d’émission de l’onde acoustique

La résolution « globale » d’une image SONAR est définie, selon Lurton (Lurton, 2002), par :

- Une résolution angulaire (ou azimutale)

- Une résolution transversale (ou résolution en distance)

La résolution transversale du SONAR correspond à l’écart minimum entre deux objets pour

qu’ils soient discernables perpendiculairement à l’avancement du SONAR. Elle dépend donc :

- de la durée de l’impulsion sonore émise

- de l’angle d’incidence de l’onde sonore sur le fond

- de la distance entre le SONAR et le point d’impact de l’onde sur le fond

c. τ

Empreinte proche Empreinte éloignée

SONAR

Figure 22 Illustration de l'amélioration de la résolution transversale du système SONAR en fonction de la distance. En

haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan vertical, en bas l'image SONAR

résultante.



On note δy cette résolution, définie par l’angle de rasance ϴ (Nait-Chabane, 2013) :

( 1 )

Avec : c, la vitesse du son dans l’eau (m.s-1

)

τ, la durée de l’impulsion (s)

Comme on peut le voir sur la Figure 22, les faisceaux émis par le SONAR ont la forme d’un

arc, ainsi plus la distance au SONAR est importante, plus l’empreinte de l’onde se rapproche

de sa durée effective. La résolution transversale augmente donc en fonction de la portée,

tandis que la résolution globale diminue.

La résolution azimutale correspond à la distance minimale permettant de distinguer 2 objets

séparés du fond dans le sens d’avancement du SONAR. Selon (Nait-Chabane, 2013) et (Le

Chenadec, 2004) cette résolution est fonction de l’ouverture à -3dB du lobe de directivité de

l’antenne. On peut définir la résolution azimutale δx sous la forme suivante :

( 2 )

Avec : L, la longueur de l’antenne (m)

λ, la longueur d’onde du signal (m)

Contrairement à la résolution transversale, la résolution azimutale se détériore en fonction de

l’éloignement de l’onde acoustique par rapport au SONAR. On peut voir sur la Figure 23 que

pour un même espacement entre 2 objets, ceux là seront clairement distinguables s’ils se

trouvent proches du SONAR

La Figure 24 résume l’évolution de ces résolutions lors de la propagation de l’onde dans le

milieu subaquatique.

Figure 23 Illustration de la détérioration de la résolution azimutale du système SONAR en fonction de

la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan

horizontal, en bas l'image SONAR résultante. .



Ainsi, contrairement à une image numérique réalisée à l’aide d’un système optique, la

résolution de chacun des pixels d’une image acoustique diffère, se dégradant en s’éloignant

du centre de l’image.

3.1.6. Caractéristique énergétique du SONAR

Dès lors que le signal est émis par les transducteurs, l’onde acoustique se propage dans

la colonne d’eau. Le premier écho de l’onde sur le fond marin se trouve presque au nadir du

SONAR. Cette première réflexion, de très forte intensité, peut nous renseigner sur la hauteur

de la colonne d’eau en résolvant un simple théorème de Pythagore. L’onde sonore explore

ensuite les angles proches du nadir en s’éloignant de celui-ci ; dans cette partie la réflectivité

de l’image est forte, entrainant une mauvaise résolution spatiale. L’énergie réfléchie par le

fond va ensuite décroitre en fonction de l’angle de rasance.

On peut donc distinguer, sur une image SONAR telle que celle présentée sur la Figure 25,

quatre zones :

Une zone aveugle :

Il s’agit de la colonne d’eau à la verticale du SONAR latéral, soit une zone non ba-

layée par les faisceaux bâbord et tribord du poisson. Cette zone apparaît dans une

couleur claire, ou plus généralement comme étant une zone n’ayant aucun écho. Cette

bande est de largeur variable suivant la hauteur du SONAR par rapport au fond.

La délimitation de cette zone correspond à l’ouverture utile des faisceaux verticaux.

Elle dépend de l’angle d’inclinaison des antennes I, de l’ouverture verticale ϴT du

faisceau et de la hauteur H du SONAR par rapport au fond. On peut la calculer à l’aide

de la formule suivante (Delachienne, 2009) :

( 3 )

Une zone claire :

Cette partie de l’image se caractérise par des niveaux de gris (ou un dégradé de cou-

leurs) élevés et variant rapidement. Cela est dû au fait que l’onde acoustique arrive

sous un angle d’incidence faible, entrainant une forte rétrodiffusion. A ce niveau de

l’image, les textures sont difficilement discernables car il n’y a pas ou peu de forma-

tion d’ombre.

Figure 24 Illustration de la cellule de résolution du SONAR et son évolution en fonction de l'éloignement et l'angle d'incidence.



Une zone utile (« sweet spot ») :

Dans cette partie de l’image, l’onde acoustique percute la surface suivant un angle

d’incidence important. Les niveaux de gris deviennent donc moyens mais s’étalent sur

une bande plus large selon la présence d’objets posés sur le fond. Ainsi, dans cette par-

tie de l’image, nous pouvons plus facilement observer des différences de textures et la

présence d’objets, notamment à l’aide de l’effet d’ombre portée.

Une zone non exploitable :

Il s’agit des extrémités gauche et droite de l’image SONAR. À ce niveau là, l’onde

acoustique interagit avec le fond selon un angle de rasance très faible, restituant ainsi

un signal de faible intensité (le rapport signal sur bruit s’effondre), et produisant fina-

lement une image avec un très faible niveau de gris et de fortes déformations

géométriques.

Ces 4 zones se distinguent nettement dans le cas où le SONAR est employé en pleine mer ou

océan car elles sont fonctions de l’angle de rasance des ondes acoustiques par rapport au fond.

Lorsque celui-ci est utilisé pour procéder à l’inspection des fonds et infrastructures verticales

d’un tunnel-canal, l’image restituée est bien plus difficile à interpréter, et ces zones sont

moins clairement identifiables.

Nous verrons ainsi au Chapitre IV les différentes distorsions affectant l’interprétation des

images du SONAR dans un tel milieu.

Figure 25 Illustrations des 4 zones spécifiques sur une image SONAR acquise sur

les canaux de Strasbourg le 11 Juin 2014.

Colonne

d’eau Zone

saturée

Zone utile

« Sweet spot »

Bruit

capteur



33..22.. EEXX PPÉÉRRIIMMEENNTTAATTIIOONN EETT MMOONNTTAAGGEE

Le système d’inspection existant n’ayant jusque là jamais déployé d’instrument pour

l’inspection des parties subaquatiques, il a fallu lors de mon Projet de Fin d’Études, réfléchir à

l’intégration de ce SONAR à balayage latéral avec le dispositif existant.

3.2.1. Présentation des 2 expérimentations

Tunnel de Niderviller

Ce site expérimental d’une longueur de 475.45 mètres et de forme rectiligne, présente

une banquette latéral de 1m40 et est façonné à l’aide de briques. Durant ce PFE, 10 passages

ont été réalisés afin d’obtenir toutes les données nécessaires pour le développement du

système. L’orientation des caméras et du SONAR ont quant à eux été modifié ente les

différents passages, mais nous aborderons ce point plus tard dans le développement. Un

passage supplémentaire à aussi été réalisé dans le grand tunnel d’Arzviller d’une longueur de

2300 mètres, ce qui permet d’avoir une première base de données concernant un ouvrage de

très grande envergure.

Quartier de la Petit France, Strasbourg

Ce site expérimental concerne le bras mort Nord de l’Ill d’une longueur de 180m et de

forme curviligne. Ce site, mis en place lors de mon PFE, constitue une nouvelle base d’étude

pour l’analyse des performances du système d’inspection dans un milieu où le signal GPS est

fortement perturbé. Celui-ci permettra d’étudier la qualité des résultats obtenus par photo-

grammétrie et odométrie visuelle simplifiée dans un nouvel environnement. Une étude

comparative entre la trajectoire par OVS et une trajectoire par GPS du dispositif sera notam-

ment envisageable.

Le 11 Juin 2014, 3 passages aller-retour ont été réalisés sur ce site et un passage supplémen-

taire à été réalisé dans le canal passant au Nord de la Petite France jusqu’à hauteur de l’écluse.

3.2.2. Fixation et orientation du SONAR

Application au bateau le « Val de Sarre », tunnel de Niderviller

Afin d’utiliser le SONAR monté sur une perche, nous avons dû réfléchir à comment

fixer, orienter et rendre cet appareil dépendant de la structure principale du système

d’inspection. De manière à ce que l’on puisse imager ce que l’on souhaite inspecter tout en

géo-référençant ces données à l’aide des prises de vue stéréoscopique de la voute et du

piédroit du tunnel permettant de déterminer la position de l’ensemble de la structure.

Nous avons ainsi fait partir du châssis une potence en aluminium double paroi se déportant à

l’avant de l’embarcation, au dessus de l’eau, et permettant d’immerger à la verticale de celle-

ci notre système SONAR tel que l’on peut voir sur la Figure 29.

Dans notre cas nous souhaitons procéder à l’imagerie SONAR, non pas du fond du canal,

mais des parties immergées des structures verticales, soit des pans de murs du tunnel se

trouvant sous l’eau. Or, un SONAR latéral est utilisé de manière à ce qu’il insonifie le fond de

l’eau en utilisant les propriétés des visées rasantes. Dans ce cas présent et auquel est destiné

l’utilisation d’un tel SONAR, ce dernier, qui est soit trainé à l’arrière du bateau soit fixé à une

perche, est orienté à l’horizontale de manière à ce que les faisceaux droit et gauche interagis-

sent similairement avec le fond. Ainsi, dans l’environnement dans lequel nous utilisons cet



appareil, cette configuration ne va nous permettre de visualiser qu’une partie du fond du canal

(la colonne d’eau à la verticale du SONAR n’étant pas insonifiée) s’arrêtant au pied des murs

latéraux constituant le tunnel et sur lequel nous ne pouvons finalement pas observer beaucoup

de détériorations.

Nous avons donc intégrer à notre système de fixation, une rotule avec un débattement de 180°

permettant d’orienter le SONAR suivant un plan vertical comme présenté en Figure 28. Pour

l’ensemble des 8 passages réalisés, le SONAR a été orienté suivant les 3 configurations

présentées en Figure 26, Figure 27 et Figure 30.

Figure 27 Orientation du SONAR à l'horizontale

permettant principalement d'imager le fond du canal. Figure 26 Orientation du SONAR à 45°. Test pour

l'inspection des structures verticales.

Figure 30 Orientation du SONAR à 75°. Test pour l'inspection des structures verticales

avec visée rasante. .

Figure 29 Fixation du SONAR sur la structure

principale du système. Figure 28 Rotule pour l'orientation du SONAR.



Nous avons choisi ces 3 configurations pour les raisons suivantes :

Orientation à plat : Cette première configuration, utilisée lors de 3 passages dans le tunnel

de Niderviller, nous permet d’observer la présence d’éléments caractéristiques posés sur le

fond, tels que des lisses ou des briques qui se seraient détachées des murs. En réalisant 3

passages avec cette même configuration, nous pouvons observer une certaine répétabilité dans

les images SONAR résultantes nous permettant donc d’avoir une analyse plus aisée de ces

dernières en différenciant les échos provenant d’objets réels et ceux induits par toutes

perturbations affectant le signal.

Orientation à 45° : Cette configuration à été employée dans le but de visualiser plus

d’éléments sur les infrastructures immergées du côté droit de l’embarcation. En effet, dans ce

cas le faisceau de droite couvre uniquement le mur et sur une surface plus importante que

dans la première configuration. Cependant, dans ce cas précis, le principe de visée rasante

n’est pas vraiment respecté, et nous n’avions aucune idée de la qualité et de la facilité

d’interprétation des résultats que nous allions obtenir, d’autant plus que des distorsions liées

au roulis du poisson (voir 4.5.1 Effet de Roulis) vont venir déformer l’image. Au total 2

passages ont été effectués dans cette disposition dans le tunnel de Niderviller.

Orientation à 75° : Dans le cas où l’orientation à 45° du SONAR ne fournirait pas des

résultats probants, nous avons réalisé 3 passages (2 dans le tunnel de Niderviller et 1 dans le

tunnel d’Arzviller) en inclinant de 75° le SONAR afin de conserver le principe de visée

rasante propre au SONAR latéral. Dans ce cas, seul le faisceau de gauche du SONAR sera

employé pour imager le piédroit du mur immergé et une partie du fond. L’inconvénient de

cette configuration est qu’il est difficile de bien interpréter les images en temps réel, car il faut

imaginer une symétrie verticale. En effet le transducteur de gauche ne procède plus à

l’insonification de la partie gauche de la ligne de foi du SONAR, mais de la partie droite. La

Figure 31 et la Figure 32 présentent respectivement une image avant traitement puis post

traitée en sortie du tunnel de Niderviller du côté d’Arzviller lors d’un passage à 75°.

Figure 31 Image SONAR non traitée. Le piédroit droit du mur

observé apparait du côté gauche de l'image. La partie droite étant

uniquement la duplication de l'image de gauche par le transducteur

droit (effet de diaphonie).

Figure 32 Image SONAR post-traitée. Le

piédroit droit du mur observé par le

transducteur gauche est redéfini sur la

partie droite de l'image. On remarque sur la

partie gauche une bande sombre correspon-

dant à l’écho du transducteur droit orienté

vers la surface de l’eau. (diffusion de

surface)

160dB

0dB



Pike Marlin

SONAR

Application à l’embarcation « Gambsheim 1», quartier de la Petite France.

Afin de procéder à une expérimentation dans un environnement différent de celui du

tunnel de Niderviller. Un second site expérimental à été mis en place durant ce PFE sur les

canaux de Strasbourg, zone dans laquelle nous serions susceptibles d’observer de plus amples

détériorations sur les murs ou éléments posés sur le fond.

Lors de cette nouvelle expérimentation, le système d’inspection subaquatique à été intégré au

dispositif de prise de vue de la même manière que sur le « Val de Sarre » et n’a été orienté

cette fois-ci qu’à l’horizontal, disposition dans laquelle le SONAR fonctionne le mieux

notamment en présence importante d’algues. Cependant, le dispositif principal a quant à lui

été modifié et réadapté au nouveau bateau et au nouvel

environnement dans lequel il était amené à évoluer. Nous

souhaitons cette fois-ci procéder à l’inspection des digues

latérales, Ainsi les caméras du système d’inspection ont été

orientées de part et d’autre du bateau, comme illustré sur la

Figure 33, afin d’observer à la fois les digues droites et

gauches lors de son avancement.

Lors de cette expérimentation, les images SONAR

acquise dans le bras mort Nord de l’Ill sont difficiles à

analyser à cause de la présence importante d’algues

interceptant les ondes acoustiques et ne permettant pas de

voir la présence d’objet sur le fond.

L’emploi d’un système bifréquence peu cependant per-

mettre d’éviter ces problèmes.

Figure 33 Illustration schématique du

dispositif de mesure sur le « Gambsheim 1 »



IIVV.. IINNTTEERRPPRRÉÉTTAATTIIOONN DDEESS IIMMAAGGEESS DDUU SSOONNAARR

LLAATTÉÉRRAALL

44..11.. IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

Les fonds marins contiennent une grande variété de structures, de débris ou d’éléments

naturels différents. Certains milieux sont recouverts par des kilomètres de boue, tandis que

d’autre sont constitués d’une importante quantité d’affleurements rocheux. Le SONAR à

balayage latéral est donc un outil de mesure relativement idéal pour cartographier ces zones et

observer la nature et les éléments constituant le fond.

La structure du fond marin, d’une rivière ou d’un canal a une incidence sur le signal acous-

tique renvoyé. Le son, se propageant vers l’extérieur à partir des transducteurs, peut être dévié

dans plusieurs directions différentes. Cette onde peut rencontrer la surface inégale de l’eau,

des bulles d’air, des poissons, des sédiments en suspension, etc. Selon la nature du fond, de

l’objet impacté par l’onde sonore, le signal va être plus ou moins absorbé. En effet, un

élément de faible densité, comme un fond vaseux, va partiellement absorber le signal, tandis

que des objets plus durs, tel que des rochers ou des débris métalliques, auront une capacité de

réflexion bien plus importants. D’autre part, un certain nombre d’effets bien caractéristiques,

notablement présents dans un milieu clos tel que les tunnels-canaux, vont venir déformer les

images du SONAR. Nous allons dans cette partie présenter chacun des éléments permettant

d’identifier la présence d’objets et les distorsions compliquant l’interprétation des images

acoustiques.

44..22.. LLAA LL OOCCAALL IISSAATTIIOONN DDEESS OOBB JJEETTSS

La capacité à interpréter avec justesse des données SONAR vient essentiellement de

l’expérience. C’est uniquement en ayant passé du temps à analyser ce type de données que

notre vision et nos observations deviennent suffisamment perspicaces pour déterminer s’il

s’agit d’éléments ou objets réels présents sur le fond marin ou simplement d’anomalies. Afin

de palier à ce manque d’expérience, réaliser plusieurs échosondage au même endroit et dans

les mêmes conditions nous permet de faire une distinction entre objets réels et anomalies.

Dans ce cas nous cherchons à observer une certaine répétabilité dans l’imagerie SONAR nous

permettant ainsi de savoir, en observant la présence d’un écho particulier entre deux passages,

s’il s’agit d’un objet réel ou d’une anomalie sonore.

A l’aide des systèmes de SONAR à balayage latéral, nous pouvons observer la présence

d’objets suivants trois informations fiables que le système peut nous procurer. Celles-ci sont

les ombres portées, la taille des objets ainsi que la forme ou l’apparence des objets.

CCHHAAPPIITTRREE



4.2.1. L’ombre portée

Une ombre acoustique consiste en une zone, se trouvant à proximité d’un objet et du

côté opposé au SONAR immergé, où le signal sonore ne peut atteindre le sol car celui-ci est

bloqué par l’objet en question. L’empreinte de cette ombre va dépendre à la fois de la taille de

l’objet, de la profondeur du SONAR et de l’angle sous lequel le faisceau va venir entrer en

contact avec l’objet. Une ombre sonore fonctionne de la même manière qu’une ombre

entrainant une baisse d’intensité lumineuse.

Ces ombres sont particulièrement importantes dans la localisation d’objets ainsi que dans leur

analyse. Ainsi, une attention particulière doit être portée sur la position de l’ombre, sa forme,

sa taille et son intensité lors d’une campagne de recherche.

L’emplacement de l’ombre par rapport à l’objet est une caractéristique importante nous

permettant de savoir si l’objet en question repose ou non sur le fond marin. On comprendra

par là qu’une ombre en contact avec l’objet implique que celui-ci se trouve en contact avec le

fond. D’autre part, comme indiqué auparavant, une ombre qui se prolonge jusqu’au bord de la

fenêtre de visualisation implique que l’objet a une hauteur qui est soit proche du SONAR, soit

au dessus de l’altitude du SONAR, constituant ainsi un danger pour un futur passage mitoyen.

4.2.2. La taille de l’objet

La taille de l’objet est la deuxième caractéristique importante lors d’une campagne de

recherche. En effet si l’on connaît la taille de l’objet recherché, nous pouvons nous concentrer

sur les objets dont la taille est semblable. Il faut garder à l’esprit que, suivant la plage de

d’observation choisie, l’objet recherché va apparaître plus ou moins gros et sera plus ou moins

identifiable selon que l’on souhaite couvrir une bande étroite ou large.

La taille d’un objet peut aussi être déterminée à l’aide de la taille de l’ombre portée et de

l’altitude du SONAR. Elle est exprimée par la formule suivante (voir Figure 34) :

( 4 )

Avec : H, la hauteur de l’objet

L, la longueur de l’ombre

A, l’altitude du SONAR

R, la distance entre le SONAR et la fin de l’ombre portée

Figure 34 Schéma explicatif pour la détermination de la hauteur d'un objet.

A

R

L

H

Zone d’ombre

SONAR



Dans une campagne de recherche, cette caractéristique est importante et permet

d’identifier plus facilement les objets échosondés. Cependant, si le milieu dans lequel nous

intervenons est encombré de débris ou si la nature du fond est composée par exemple d’un

amas de pierres ou gravier, il devient plus difficile d’analyser la forme de l’objet. Ainsi dans

ces derniers cas, l’analyse de l’ombre portée et la taille de l’objet sont des informations

importantes dans le repérage d’un objet.

44..33.. EEFFFFEETTSS CCOOMMPPLL IIQQUUAANNTT LL ’’ IINNTTEERRPPRRÉÉTTAATTIIOONN DDEESS IIMMAAGGEESS

SSOONNAARR

Une onde sonore se propageant dans l’eau peut subir un certain nombre d’effets

modifiant et influençant plus ou moins l’imagerie SONAR enregistrée. Ces perturbations vont

ainsi compliquer l’analyse et l’interprétation des images SONAR. Selon Marine Sonic

Technology (Ltd, 2011), on peut compter sept effets compliquant l’interprétation des données

du SONAR : l’image fantôme ou « ghosting », la diaphonie, la thermocline et l’halocline, les

distorsions lors d’un changement de direction, la diffusion de surface, le souffle de l’hélice et

enfin le bruit. La quasi-totalité de ces distorsions sont visualisables sur les images du StarFish.

4.3.1. Le « ghosting »

Les impulsions sortant des transducteurs ne s’arrêtent pas ou ne sont pas dissipées à la

fin de la zone balayée, mais continuent de se propager dans l’environnement. Les images

fantômes se produisent lorsque le signal sonore se déplace au-delà de la plage désignée et

rebondit sur des surfaces éloignées voir même sous la surface de l’eau. Le signal retour peut

ainsi causer des anomalies de faible intensité à l’affichage.

Lorsque l’on travaille en eau peu profonde ou dans des canaux, on peut rencontrer des images

fantômes provoquées par les retours acoustiques des impulsions sonores précédentes conti-

nuant de rebondir entre les objets et le SONAR.

Pour diminuer cet effet nous pouvons augmenter la taille de la zone observée, ralentissant

ainsi la vitesse des impulsions et laissant le temps à ces échos de se dissiper avant d’être

remplacés par le nouvel écho. Cependant, en augmentant la largeur de fauchée on diminue la

résolution. D’autre part, lorsque nous procédons à cette manipulation, des problèmes de

recouvrements et de discontinuités vont apparaître sur l’image SONAR à cet instant. Nous

pouvons aussi observer des distorsions sur des cibles éloignées, causées par des phénomènes

de multi-trajets où le son prend un chemin plus long en rebondissant sous la surface de l’eau

lors de sa propagation dans l’eau avant de revenir au niveau du transducteur. La Figure 35

présente cet effet lors de la campagne de mesure effectuée le 18 mars 2014 dans un des

tunnels-canaux allant de Niderviller à Arzviller.



4.3.2. La diaphonie

La diaphonie survient lorsqu’une cible renvoie un écho fort tel que celui-ci traverse le

corps du SONAR pour arriver jusqu’au transducteur du côté opposé en le faisant vibrer.

L’image résultante dans ce cas présente un axe de symétrie suivant l’axe du SONAR, c'est-à-

dire que l’on va retrouver le même objet de chaque côté du SONAR sur l’image (effet miroir),

cependant la fausse image résultant de cette diaphonie est de moins grande intensité. Sur la

Figure 36 suivante on peut voir le résultat d’une diaphonie sur la partie gauche de l’image

(écho sur un mur).

Cet effet est d’autant plus important lorsque le SONAR est incliné à 45°. Il est possible de

d’éviter ce type de distorsion en utilisant alternativement les transducteurs de droites et de

gauches, mais dans ce cas la distance séparant chaque impulsion d’un même transducteur

augmente.

4.3.3. La thermocline et l’halocline

La thermocline est une cause fréquente dans la distorsion des images SONAR. Elle

survient lorsqu’il y a une transition thermique rapide entre deux niveaux d’eau (généralement

Figure 35 Illustration de l'effet "ghosting" sur un échosondage entre Niderviller et Arzviller.

Sortie de tunnel côté Arzviller

Figure 36 Illustration de la diaphonie lors de l'échosondage du premier tunnel-canal

entre Nierdeviller et Arzviller. A droite, l’écho vrai du mur, à gauche l’effet de

diaphonie.

Diaphonie



entre les eaux superficielles et les eaux profondes). Cet effet est d’autant plus marqué lorsque

la salinité de l’eau est importante. Ce changement brut de température entraine ainsi des

distorsions dans l’image SONAR, distorsion visible sur la Figure 37.

L’halocline peut se manifester lorsque des eaux fraiches et des eaux de mers se mélangent,

entrainant ainsi un changement brutal de salinité entre deux niveaux dans la colonne d’eau.

Ces distorsions vont entrainer le problème suivant : des échos provenant de différents endroits

du fond marin vont être captés au même instant par le transducteur du SONAR. Cet écho

complexe, provenant de différents endroits, peut corrompre l’image du SONAR et masquer

certains objets. Cet effet peut être atténué en abaissant la profondeur à laquelle le SONAR est

tracté ou en modifiant la fréquence des transducteurs.

Sur cette image, le SONAR passe à travers la thermocline où la vitesse du son change

d'environ 1445m/s à 1455m/s. Cette modification entraîne une déformation et déviation du

faisceau.

4.3.4. Distorsion dans un virage

Lorsque l’embarcation effectue un virage pendant que le SONAR latéral procède à

l’échosondage du fond, il en résulte une distorsion sur les images résultantes. Pendant un

virage, les transducteurs ne balayent pas le fond suivant une ligne droite cohérente. Les

impulsions sonores émises par le transducteur se trouvant à l’intérieur du virage vont couvrir

une zone plus petite que le transducteur opposé. Ainsi, l’image va subir un étirement sur la

partie intérieure du virage et une compression et déformation sur la partie extérieure du

virage.

D’autre part, selon l’ouverture horizontale du SONAR, la vitesse du bateau et l’importance du

virage, il y aura, à l’intérieur du virage, un chevauchement plus ou moins important entre les

différents échos entrainant l’élongation des objets balayés par le faisceau.

La Figure 38 illustre cet effet sur lequel on voit clairement les distorsions entrainées de

chaque côté de l’image.

Figure 37 Thermocline affectant une image

SONAR. Source : http://www.fennent.com/



4.3.5. La diffusion de surface

Cet effet survient lorsque l’onde sonore rebondit sous la surface de l’eau de la même

manière qu’elle rebondit sur le fond. Plus l’eau est peu profonde, plus la probabilité d’avoir

une diffusion de surface est importante car l’onde peut subir, dans ce cas, de multiples

réverbérations sur de nombreuses surfaces avant de revenir au niveau du transducteur. Ces

surfaces peuvent être le fond de la mer, la surface de l’eau (surtout si celle-ci est turbulente),

des débris, des variations thermiques, des bancs de poissons, etc.

Les moutons1 générés par le vent sont également de très bons réflecteurs acoustiques, tant et

si bien que le signal retour peut considérablement affecter les données SONAR. Ces condi-

tions de turbulences surfaciques entrainent donc une déviation du signal en sortie du

transducteur avant son retour à celui-ci, déformant ainsi l’image finale comme présentée en

Figure 39.

1 Des moutons sont de petites vagues frangées d’écume apparaissant par vent léger

Objet étiré du fait du

demi-tour effectué

par le bateau.

Figure 38 Distorsion causée par un changement de direction (virage) lors d’une expérimentation dans les canaux de

Strasbourg.

Figure 39 Diffusion de surface observée dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller après

inclinaison du SONAR à 45 degrés.



4.3.6. Le souffle de l’hélice

Dans le cas où le SONAR est trainé à l’arrière d’un bateau, le souffle provoqué par

l’hélice de ce dernier va produire des bulles dans la colonne d’eau et donc la présence de gaz

dans le sillage du bateau. Ces bulles ont un fort pouvoir réfléchissant vis-à-vis des ondes

sonores émises par le SONAR, au point même de masquer une cible. Cet effet est particuliè-

rement présent et problématique dans les cours d’eau où il y a beaucoup de remous et où de

nombreuses embarcations motorisées traversent la zone d’étude pendant que l’on effectue la

campagne d’acquisition.

En général, le sillage provoqué par le souffle de l’hélice ne déforme pas l’image SONAR du

fait que les transducteurs de celui-ci sont dirigés vers le bas. Cependant, lorsque l’on navigue

dans les zones d’eau peu profonde, cette turbulence de surface peut apparaître dans l’image

résultante, comme présentée en Figure 40. Afin de réduire cet effet, il faut réduire la vitesse

de l’embarcation, diminuant ainsi la présence de bulles causées par le souffle de l’hélice.

4.3.7. Le bruit sonore

Le bruit est une interférence sonore indésirable présent dans la colonne d’eau et

affectant l’imagerie SONAR. Ce bruit provient soit de la nature environnante soit du matériel

électronique au voisinage. Ces bruits apparaissent sous forme de taches lumineuses, de stries

ou encore de bandes. Si le bruit provient d’une source électronique, il faudra vérifier ou

changer les générateurs électriques, les câbles ou encore resécuriser la masse du système.

C’est ce type de bruit qui est le plus souvent représenté sur les images, cependant le bruit peut

aussi parvenir de l’environnement sous marins, provenant généralement d’êtres vivants tels

que les dauphins, serpentines, crevettes, etc.

Dans les milieux clos tel que les tunnels-canaux, les ondes sonores restent prisonnières et

peuvent particulièrement affecter l’image SONAR. La Figure 41 expose un exemple de bruit

sonore capté durant l’intervention du 18 mars 2014.

Figure 40 Déformations provoquées par le soufle de l'hélice du bateau. Expérimentation du 11 juin 2014 sur

les canaux de Strasbourg



44..44.. DD II SSTTOORRSSIIOONNSS GGÉÉOOMMÉÉTT RRIIQQUUEESS

Au même titre qu’un radar satellite déployé pour de la télédétection, un SONAR

latéral mesure le temps écoulé entre l’émission et la réception d’un signal oblique, entrainant

ainsi des déformations géométriques. Ces déformations sont fonction de la durée d’impulsion

et de la portée du SONAR. Ainsi, l’image obtenue (dont la position des objets captés est

ramenée à un plan transversal) ne représente pas exactement la réalité géométrique des objets.

Ces distorsions, se comptent au nombre de trois et peuvent se nommer de la façon suivante

selon (Roupioz, et al., 2014) : le raccourci, le repliement et l’ombre portée.

4.4.1. Le raccourci

Cet effet est dû à l’angle formé par la direction du front de l’onde sonore émise par le

SONAR avec l’inclinaison du fond marin. Dans ce cas, il y a une réduction de la distance

réelle entre 2 objets proches se trouvant sur le fond (voir les points 1 et 2 de la Figure 42).

Dans le cas où la pente du fond est importante (soit pour les points 3 et 4 de la Figure 42),

l’effet de raccourci est maximal, c'est-à-dire que ces points seront confondus sur l’image

résultante. Cette distorsion entraine non seulement la non restitution du fond entre ces deux

points sur l’image finale, mais a aussi pour conséquence de générer des points brillants

(superposition des échos provenant de ces 2 points augmentant ainsi le niveau du signal capté

durant la réception) sur l’image nous laissant croire qu’un objet particulier se trouve à cet

endroit.

Figure 41 Exemples de bruits sonores affectant une image SONAR dans le tunnel-canal de Niderviller à

Arzviller.



4.4.2. Le repliement

Dépassé une certaine inclinaison du fond, soit lorsque la pente de celui-ci est supérieure à

l’angle de rasance du SONAR, un phénomène d’inversion de la restitution des échos se

produit (voir les points 1 et 2 sur la Figure 43). Le point 2, étant illuminé avant le point 1 qui

se trouve plus bas, va, lors de la restitution de l’image, se situer avant le point 1. Par consé-

quent, les positions des échos du sommet et de la base de la pente sont inversées par rapport à

l’ordre géométrique réel.

Cette distorsion n’affecte quasiment jamais les images SONAR lors d’une campagne de

mesures des fonds marins, à part dans le cas où ce dernier concerne des récifs coralliens ou

tout autre milieu avec un relief abrupt. Cependant, lors de campagne de mesure dans un

tunnel-canal, où l’on retrouve des structures verticales immergées tel que les murs latéraux

gauche et droit, cette distorsion va entrainer une inversion entre le pied de celui-ci et la partie

supérieure que le SONAR aura échosondée. La Figure 44 présente concrètement cet effet lors

de l’expérimentation sur le canal de la marne au Rhin entre Niderviller et Arzviller réalisée en

mars 2014.

Figure 42 Illustrations des effets de raccourci sur une image

SONAR.

Figure 43 Illustrations de l'effet de repliement.



On remarque de chaque côté de l’image 2 bandes de fortes intensités (apparaissant comme 2

lignes de couleurs sombres de part et d’autre de la flèche). Une des bandes (celle se trouvant

sur l’extérieur) représente une partie du pied de mur renvoyant un écho de forte intensité lié à

la configuration du fond à cet endroit ; l’écho renvoyé est une accumulation de l’onde

rétrodiffusée dans l’angle entre le sol et le mur et des échos multiples réfléchis de part et

d’autre de ce point sur une zone d’environ 10cm (voir Figure 45). L’autre bande (celle se

trouvant vers l’intérieur de l’image) correspond à l’onde envoyée perpendiculairement au

mur, soit celle définissant la limite supérieure du mur insonifié, et où l’onde sonore est

fortement rétrodiffusée, par rapport à une onde percutant une surface avec un angle

d’incidence comme illustré sur la Figure 46. Ainsi le pan de mur observé est inversé.

En réalité, en considérant que le SONAR réalise une image du fond vue de dessus, nous ne

devrions théoriquement pas voir sur les images résultantes la face du mur insonifiée, mais une

ligne de forte intensité suivant les variations horizontales de celui-ci. Cependant, nous avons

vu que, le SONAR n’ayant aucune capacité discriminante angulairement, procède à l’imagerie

Figure 44 Effet de repliement sur les murs immergés du tunnel-canal de Niderviller lors

d’un passage du SONAR à plat (flèche blanche).

Figure 46 Illustration des ondes formant l'écho du pied de mur.

En rouge l'onde rétrodiffusée, en orange et bleu des ondes

ayant subi de multiples réflexions avant d'être assimilées

comme étant l'écho du pied de mur. On aura ainsi un signal

retour de forte intensité à ce niveau.

Figure 45 Illustration de l'interaction

de l'onde sonore en fonction de l'angle

d'incidence. L'onde rouge, ayant un

angle d'incidence de 0°, est fortement

rétrodiffusée par rapport à l'onde en

bleu. Ainsi on aura une ligne de forte

intensité au niveau de l’onde sonore

rouge.

Diffusion

Diffusion

Zone insonifiée

Zone insonifiée

10 cm

10 cm

Echos-multiples



du fond en fonction de l’ordre de réception des échos. Ainsi, si le SONAR se trouve proche

d’une structure verticale comme présenté en Figure 47, le pan verticale sera projeté (avec une

inversion) dans le plan horizontal et devenant donc visible sur l’image résultante.

4.4.3. L’ombre portée

Comme présenté en 4.2.1 L’ombre portée, le SONAR, insonifie le fond marin en incidence

rasante, entrainant des zones d’ombres dépendant de la taille de l’objet et de la hauteur du

SONAR par rapport au fond ou à l’objet.

La Figure 48 nous montre les zones d’ombres induites par les murs latéraux du tunnel-canal,

permettant de restreindre notre attention uniquement aux échos restitués entre ces 2 murs.

Figure 48 Ombres portées des murs recouvrant 75% de l'image SONAR.

L'analyse est donc portée uniquement sur la partie centrale de l'image, entre les 2

zones délimitées par les murs immergés.

Figure 47 Illustration de la projection sur le plan horizontal de la structure verticale observée. Plus on s'éloigne du mur,

moins le côté insonifié de celui-ci est visualisable sur l'image résultante. On remarque que les éléments présents entre 2 -

4 et 3-4 sont superposés.



44..55.. DDÉÉFFOORRMMAATTIIOONN LL IIÉÉEE ÀÀ LL ’’AATTTTIITTUUDDEE DDUU SSOONNAARR

Les distorsions observées jusque là sont essentiellement liées aux caractéristiques et à

la configuration du milieu dans lequel les ondes acoustiques se propagent. Cependant les

images SONAR peuvent être sujettes à d’autres déformations, qui sont cette fois-ci en lien

direct avec l’attitude du poisson.

4.5.1. Effet de Roulis

Le roulis correspond à la rotation du SONAR autour de son axe longitudinal. Comme

présenté en Figure 49, lors d’un tel effet, un des transducteurs du SONAR va pointer plus haut

que normalement tandis que l’autre procèdera à l’insonification d’une partie plus proche du

Nadir.

Cette configuration va entrainer des distorsions d’intensités de la zone couverte par le

SONAR. Le transducteur surélevé va imager le fond sur une plus grande distance, mais cette

partie va être compressée afin d’être en accord avec la largeur de fauchée prédéfinie. Inver-

sement, le transducteur orienté plus proche de la verticale va imager une plus petite surface,

ainsi les objets observés sur le fond vont se retrouver étirés afin d’ajuster l’image à la largeur

de la bande insonifiée. De ce fait, un objet positionné sur le fond et détecté par le transducteur

surélevé va être positionné plus proche du SONAR, tandis qu’un objet repéré par le transduc-

teur abaissé va apparaître comme étant plus loin que ce qu’il est en réalité.

Dans le cas de tunnel canaux, et avec la configuration à 45° utilisée pour nos expérimenta-

tions, cet effet va à la fois entrainer un étirement et une compression de l’image

perpendiculairement à l’avancement du SONAR, mais va aussi augmenter la surface du mur

vertical insonifié affectée d’un effet de repliement (voir 4.4.2) et d’étirement.

Figure 49 Illustration de l'effet de roulis d'un SONAR incliné d’un angle ϴ

4.5.2. Effet de Cap

Cet effet correspond aux mouvements latéraux du SONAR autour de l’axe vertical

comme présenté en Figure 50. La fauchée va ainsi tourner autour de l’axe central du SONAR,

entrainant des distorsions parallèlement et perpendiculairement à l’avancement du poisson. Le

transducteur se trouvant à l’intérieur du « virage » va imager des éléments déjà observés mais

sous un angle de vue différent. En ce qui concerne celui se trouvant à l’extérieur du virage,

celui-ci va imager des objets se trouvant plus loin que prévu. Ainsi, un élément posé sur le

fond va respectivement se retrouver soit étiré soit compressé parallèlement à l’avancement du

SONAR. La dimension des objets observés n’est donc plus en accord avec la réalité.



Dans notre cas où le SONAR est fixe par rapport à la structure du bateau, cet effet est

directement en lien avec le changement de cap de celui-ci et peut donc être plus facilement

calculable. Cependant, une attention particulière doit être portée sur la fixation du SONAR au

bateau, car si l’axe du SONAR n’est pas parfaitement parallèle à l’axe du bateau, alors nous

aurons à faire à un effet de cap permanent dans une même direction.

4.5.3. Effet de tangage

Le tangage correspond à l’orientation du SONAR dans un plan horizontal. Quand le

poisson s’incline vers le haut (ϴ>0°) comme illustré en Figure 51, celui-ci va procéder à

l’imagerie des éléments se trouvant plus loin que prévu, entrainant une ré-insonification de

ces mêmes objets plus tard. A l’inverse, si celui-ci s’incline vers le bas, le système va

reproduire une fauchée qu’il a déjà réalisée. Un changement brutal de l’orientation du

SONAR va entrainer une cassure dans l’imagerie du fond sur toute la largeur de la fauchée.

En général ces variations son liées au changement d’altitude du SONAR et à la vitesse du

bateau, mais dans le cas ou celui-ci est fixé au bateau, alors ce changement d’attitude est en

lien direct avec les perturbations de surfaces (vagues, houle, vents) ayant une influence sur les

mouvements du bateau et avec les changements de vitesse de ce dernier.

4.5.4. Variations de vitesse

La vitesse de l’embarcation n’est jamais constante alors que le cycle d’émission d’une

impulsion et la durée entre chaque impulsion est toujours identique. Par conséquent, la

distance parcourue entre chaque impulsion n’est pas la même et l’image résultante doit faire

l’objet d’une rectification. En effet, si aucune correction n’est apportée, l’image sera distordue

dans le sens d’avancement du SONAR.

Figure 50 Illustration de l'effet de cap d’un SONAR dérivant d’un angle ϴ

Figure 51 Illustration de l'effet de tangage d'un SONAR incliné d'un angle ϴ



Si la vitesse du porteur augmente, chaque fauchée (ping) s’en trouvera plus éloignée les unes

des autres. Dans ce cas, les éléments observés seront étirés parallèlement au sens

d’avancement. A l’inverse, si la vitesse du bateau diminue, les fauchées seront plus proches

les unes des autres, et l’image résultante s’en trouvera compressée dans la direction suivie par

le SONAR. La Figure 52 illustre ce type de distorsion.

Nous avons vu que l’effet de tangage est en lien avec la vitesse du mobile. En effet, que le

poisson soit fixé ou bien tracté, celui-ci sera incliné vers le haut (lors d’une accélération) ou

vers le bas (lors d’un ralentissement).

44..66.. CCOONNCCLLUUSSIIOONNSS EETT PPEERRSSPPEECCTTIIVVEESS

Les distorsions et déformations ainsi observées sur les images du SONAR à balayage

latéral sont nombreuses et ne permettent pas une étude et des mesures précises des éléments

observés si celles-ci ne sont pas rectifiées. Bien que les effets compliquant l’interprétation des

images SONAR (présentés en 4.3) puissent être évités en paramétrant correctement le

système, les distorsions géométriques et les déformations liées à l’attitude du SONAR sont

nécessairement présentent. Il est cependant possible de supprimer les effets induits par les

changements d’attitudes de l’appareil en apportant des informations sur le cap, roulis et

tangage de celui-ci mesuré par une centrale inertielle. A contrario, les distorsions géomé-

triques sont propres à la technologie du SONAR et ne peuvent être évitées.

Dans la mesure où nous souhaitons prochainement (soit durant la futur Thèse) procéder à la

modélisation 3D de la partie immergées des canaux urbains et tunnels canaux par l’emploi

d’un échosondeur multifaisceaux, seul les distorsions inférées par les changements de cap,

roulis et tangage de l’appareil seront à rectifier. De ce fait il semblera nécessaire d’utiliser une

centrale inertielle au plus proche du système multifaisceaux afin de définir l’orientation de

chacune des impulsions émises par ce dernier. D’autre part il saura aussi important de

renseigner la position XYZ du système à chaque instant ; trajectographie déterminée par

différentes méthodes dont les analyses font l’objet du chapitre V suivant.

Figure 52 Distorsions induites par les variations de vitesse du SONAR sur une portion d’image du transducteur

tribord lors d’une expérimentation dans les canaux de l’Ill. En (A) compression de l’image lors d’un ralentissement,

en (B) image correctement rectifiée, en (C) étirement de l’image lors d’une accélération.

(A)

(B)

(C)



VV.. AANNAALLYYSSEESS DDEESS CCAALLCCUULLSS DDEE TTRRAAJJEECCTTOOGGRRAA--

PPHHIIEE

Dans ce chapitre nous verrons succinctement les méthodes de repérages du système

d’acquisition faisant l’objet des précédentes études menées par (Chavant, 2013)(Guittet,

2012)(Tisserand, 2011). Nous verrons plus en détail certains points sur lesquels ma participa-

tion et les analyses effectuées durant ces 6 mois de stage ont permis de mettre en évidence des

incohérences dans l’horodatage des mesures tachéométriques, les limites de l’odométrie

visuelle simplifiée et d’établir une première mise en correspondance entre donnée photo-

grammétrique et hydrographique. Ces observations ont été réalisées en comparant les données

issues du SONAR, de la tachéométrie, de l’odométrie visuelle simplifiée (OVS), de la

photogrammétrie ainsi que celles issues des mesures lasergrammétriques réalisées en 2010 et

2011.

55..11.. OOPPÉÉRRAATTIIOONNSS EETT TTRRAAIITTEEMMEENNTTSS TTAACCHHÉÉOOMMÉÉTTRRIIQQUUEESS

Afin de procéder au géoréférencement de l’embarcation par tachéométrie, nous avons

réalisé un suivi tachéométrique à l’aide d’un Trimble S8. L’enregistrement des données est

contrôlé à l’aide d’un ordinateur afin que chacune des mesures enregistrées soit affectée d’une

valeur d’horodatage. Comme réalisé en octobre 2013, un prisme 360° actif Trimble à été

utilisé afin d’assurer le bon suivi de la barge tout au long du tunnel.

Ce type de mesure a été réalisé pour les expérimentations du mois de Mars menées dans le

tunnel Niderviller et celles de Juin effectuées sur les bras mort de l’Ill dans le quartier de la

petite France. Les résultats obtenues ont ensuite été analysés afin d’évaluer la qualité de

l’horodatage des données tachéométriques, point essentiel pour la synchronisation des

données provenant des différents appareils.

La trajectoire déterminée à l’aide de cette technique servira en plus de référence pour l’étude

de la trajectoire par odométrie visuelle dont les analyses seront présentées en 5.2.

5.1.1. Acquisition des données

Expérimentation dans le tunnel de Niderviller (18 mars)

Le tachéomètre a été positionné sur un point connu en coordonnées (Tunnel N.1) à l’entrée du

tunnel du côté de Niderviller et à été orienté sur plusieurs références. L’ensemble de ces

points a été déterminé lors de cheminements polygonaux et de nivellements réalisés par

(Tisserand, 2011).

Au total 8 séries de mesures ont été effectuées (expérimentation 1 à 8) en utilisant une

fréquence d’acquisition de 2,5Hz. Pour l’expérimentation 1-2-4-5-6-7 et 8, nous avons

enregistré l’avancement du bateau dans le sens Niderviller-Arzviller évoluant en marche avant

à une vitesse régulière d’environ 1m.s-1

. Concernant l’expérimentation 3, le tachéomètre

suivait l’embarcation se déplaçant en marche arrière en longeant la lisse dans le sens Arzvil-

ler-Niderviller. Pour chaque passage, environ 1300 points géoréférencés ont été enregistrés

CCHHAAPPIITTRREE



permettant d’étudier la trajectoire suivie par le bateau dans chaque cas, trajectoire qui servira

de référence pour les données de l’odométrie visuelle simplifiée.

Expérimentation sur l’Ill dans le quartier de la Petite France (11 juin)

Dans un premier temps un réseau de points topographiques a été implanté au GPS à l’aide du

réseau Teria. Un ensemble de 5 points (présentés sur les fiches signalétique en Annexe K) a

ainsi été matérialisé en temps réel avec une précision centimétrique. Le tachéomètre a ensuite

été stationné sur le point 3000 et orienté sur le point 1000 afin de procéder au suivi du

système lors de son avancement sur le bras mort Nord de l’Ill.

L’embarcation a ainsi fait l’objet d’un suivi tachéométrique lors de 3 passages aller-retour en

employant une fréquence d’acquisition de 10Hz. D’autre part, un levé topographique (10

points présentés sur les fiches signalétiques de l’Annexe L) de la zone a été réalisé afin

d’avoir des points de contrôles qui permettront de rectifier le modèle photogrammétrique.

5.1.2. Traitements et analyse des données

Comme présenté dans le Projet de Recherche Technologique de (Marchand, 2013), le

traitement des données tachéométriques fait l’objet de plusieurs étapes avant d’arriver à des

résultats exploitables pour quelconques analyses.

Dans un premier temps, afin de pouvoir procéder à la lecture des carnets de mesures du

tachéomètre à l’aide du logiciel Covadis, il est nécessaire de passer par un formatage de ces

carnets afin que le logiciel puisse identifier chacune de ces lignes de mesures. Pour cela, j’ai

réalisé un premier traitement en employant un code VBA permettant de remplacer les lignes

« > 0 » par « 5 = X » (avec X identifiant du point commençant à 1 et incrémenté jusqu’au

nième

point), ligne posant problème lors de l’import du carnet de terrain sous Covadis.

Une fois le formatage effectué, nous pouvons procéder au calcul automatique des coordon-

nées des points rayonnés par la station pour chaque passage du bateau, nous permettant ainsi

d’obtenir la trajectoire de celui-ci (plus particulièrement celle du prisme) à l’intérieur du

tunnel.

Comme observé lors des travaux de (Marchand, 2013), l’horodatage des mesures enregistrées

par le tachéomètre n’est pas cohérent. En effet, si celui-ci enregistrait un point toutes les

400ms, nous devrions avoir une différence de temps entre chaque mesure successive de

400ms, or nous constatons une différence de temps non constante entre 2 mesures tachéomé-

triques comme illustrée sur la Figure 53.

Figure 53 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l’expérimentation n°2 du 18 mars 2014. En bleu

correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. L’écart moyen quadratique (emq) étant de 42ms.



Figure 54 Différence de temps entre 2 mesures successives

lors de l’expérimentation n°3 d’Octobre 2014 avec le

Trimble VX. En bleu correspondent les valeurs comprises

entre 0.35s et 0.45s.

Figure 55 Différence de temps entre 2 mesures

successives lors de l’expérimentation n°4 d’Octobre 2014

avec le Trimble S8. En bleu correspondent les valeurs

comprises entre 0.35s et 0.45s.

Ce laps de temps varie essentiellement entre 0.35s et 0.45s. Par conséquent, pour l’ensemble

des expérimentations du 18/03, nous obtenons un emq sur l’horodatage d’environ 46ms.

Afin de savoir si ce problème est propre au Trimble S8 utilisé pour les tests du 18 mars 2014,

nous avons procédé aux mêmes analyses sur les données tachéométriques provenant d’un

Trimble S8 et d’un Trimble VX utilisé lors des expérimentations en Octobre 2013. Pour le

Trimble S8 nous retrouvons les mêmes problèmes sur les 5 séries de mesures comme présenté

en Figure 55. Cependant, en ce qui concerne le Trimble VX, les résultats obtenus semblent

légèrement plus cohérents pour 2 séries de mesures (différence de temps variant de ±50ms

autour d’une unique valeur de 400ms), mais pour les analyses portées sur la 3e série de

mesures, visibles sur la Figure 54, nous obtenons des résultats imprécis avec une durée entre

chaque mesure successive variant de ±200ms.

Ces non constances dans ces différences de temps peuvent provenir soit d’un défaut méca-

nique en lien direct avec les instruments de mesures, soit d’un défaut informatique lors de

l’association de l’heure à chaque mesure lors de leur enregistrement. Afin de déterminer

quelle est la raison de ce problème récurant, nous avons calculé la vitesse de l’embarcation en

prenant 2 bases de temps différentes :

- Une correspondant à la différence de temps entre chaque valeur d’horodatage. Les

résultats obtenus dans ce cas sont visibles en Figure 56.

Figure 56 Vitesse du bateau lors du passage n°2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la

différence de temps entre chaque enregistrement.



- L’autre correspondant à la valeur médiane calculée pour chaque passage, soit entre

0,40 et 0,41 seconde. La Figure 57 illustre les résultats issus de ces calculs.

Ainsi, on remarque que l’on obtient une meilleure détermination de la vitesse du mobile

lorsque celle-ci est calculée à partir d’une valeur médiane de l’intervalle de temps entre

chaque mesure (soit dt = 0.41s dans le cas présenté sur la Figure 57). Cette constatation nous

permet de dire que le problème provient essentiellement d’une erreur dans l’horodatage des

données du tachéomètre et non pas d’une inconstance dans la fréquence d’acquisition de

l’appareil lors du suivi tachéométrique. Cependant, nous pouvons remarquer de manière

régulière sur la Figure 57, que la vitesse ainsi calculée est soit surestimée (≈1.9m.s-1

), soit

sous-estimée (≈0.6 m.s-1

).

Sachant que la base de temps de ce calcul est constante (0.410s), ces erreurs (comme celles

entourées en rouge sur la Figure 57 et qui font l’objet des résultats suivants) semblent être

dues à une augmentation de la fréquence d’acquisition (2x plus vite), puis d’un ralentissement

(2x plus lent), et de nouveau d’une augmentation (2x plus vite). En effet, en calculant l’inter-

distance entre les points à l’origine de ces variations, nous avons respectivement une distance

environ 2 fois plus faible (di1018-1019 = 0.2710m), puis 2 fois plus grande (di1019-1020 = 0.7866m)

et à nouveau 2 fois plus faible (di1020-1021 = 0.2461m) lors de l’enregistrement des points par le

tachéomètre. Ces variations seraient donc liées à un défaut mécanique de l’appareil automati-

quement réajusté. Nous observons effectivement que lorsque l’appareil enregistre deux points

successifs avec un intervalle de temps plus court que ce qui à été paramétré, celui-ci va ajuster

sa fréquence d’acquisition sur les 2 prochaines mesures afin de revenir sur la même base de

temps et éviter un décalage dans les mesures comme illustré sur la Figure 58.

Lors d’une seconde expérimentation réalisée sur les canaux de Strasbourg, nous avons

pu augmenter la « fréquence d’acquisition » du tachéomètre à 10Hz. Après analyses des

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt

Δt Δt

2xΔt Δt Δt Δt Δt

Fréquence d’acquisition

sans décalage.

Fréquence d’acquisition

affectée du décalage

(avance / retard).

Figure 58 Illustrations du défaut mécanique compensé de l'appareil lors de l'enregistrement des mesures à 2.5Hz

Figure 57 Vitesse du bateau lors du passage n°2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la

valeur médiane du temps écoulé entre chaque mesure.

Avance

Retard Pt1019

Pt1018 Pt1020

Pt1018 Pt1019 Pt1020



fichiers de points horodatés générés par l’appareil, nous retrouvons à nouveau un fichier

d’horodatage bruité, bien qu’il semble plus cohérent qu’à 2.5Hz.

Dans ce cas présent, l’écart moyen quadratique de l’horodatage des mesures est d’environ

28ms pour l’ensemble des 3 passages. Nous avons décidé, comme pour les données à 2.5Hz,

de procéder aux calculs de vitesses du bateau en utilisant les 2 bases de temps différentes

(Valeur médiane de 100ms et différence de temps issu du fichier d’horodatage). Cette fois-ci,

nous remarquons par intermittence sur le 2e graphique de la Figure 59, une valeur de vitesse 2

fois supérieure à la valeur vraie lors des calculs basés sur la valeur médiane. Cette valeur

aberrante est la conséquence d’un « saut » dans les mesures tachéométriques, c'est-à-dire qu’à

ces instants le laps de temps entre 2 mesures successives n’est plus de 100ms mais de 200ms.

En ce qui concerne la détermination de la vitesse en fonction du temps issu du fichier

d’horodatage (visible sur le 1er

graphique), celle-ci est toujours aussi imprécise avec un emq

de 232mm.s-1

.

Nous avons, dans le but d’améliorer les résultats obtenus en fonction des fichiers

d’horodatages directement issus du levé tachéométrique, procédé à un filtrage de ces données.

Pour cela, nous avons identifié dans le diagramme de vitesse l’ensemble des mesures ayant

une valeur de vitesse de plus ou moins 5% de la valeur médiane centrée sur 11 mesures

(comme représenté en rouge sur la Figure 59). Une fois ces mesures identifiées nous les

supprimons à la fois dans le listing d’horodatage et dans le listing de coordonnées, puis nous

procédons de nouveau au calcul de la vitesse du mobile en utilisant comme base de temps le

nouveau fichier d’horodatage filtré et les coordonnées XYZ des points correspondants. Sur la

Figure 60 nous pouvons donc observer une nette amélioration des résultats par rapport à ceux

obtenus avant filtrage sur la Figure 61. Cependant, après calculs de précision et de statistique

(dont les résultats sont présentés sur le Tableau 5) ceux-là restent moins bons que le profil de

vitesse déterminé à partir du temps médian.

Figure 59 Calcul de vitesse en fonction du temps issu de l'horodatage (graphique du haut) et en fonction du temps médian

(graphique du bas). Les valeurs en rouge représentent des 'outliers' au minimum de ±5% de la valeur médiane sur une

fenêtre de 11 valeurs à chaque instant. Expérimentation n°1, passage aller, Petite France.



Figure 61 Profil de vitesse déterminé à partir des temps

issus du fichier d’horodatage non filtré.

Expérimentation n°1, passage aller, Petite France.

Figure 60 Profil de vitesse déterminé à partir des temps

issus du fichier d’horodatage filtré. Expérimentation

n°1, passage aller, Petite France.

emq (mm/s) MAD (mm/s) Graphique Figure 61,

Résultats avant filtrage du fichier

d’horodatage

232 14

Graphique Figure 60,

Résultats après filtrage du fichier

d’horodatage

61 13

Graphique du bas Figure 59,

Résultats en fonction de la médiane 9 6

Tableau 5 Précision et écart médian absolu sur la détermination de la vitesse du bateau calculée à partir des données

horodatées non filtrées, filtrées et à partir du temps médian.

Les résultats obtenus pour l’ensemble des passages de chacune des expérimentations sont

présentés en Annexe F.

Remarque :

Les écarts moyens quadratiques sont calculés à partir des écarts apparents (vi) de la vitesse

(Vxi) par rapport à une moyenne glissante de 11 valeurs centrée en « i ».

Soit :

avec : écarts apparents en m. s

-1

: vitesse en m. s-1

On a donc :

Les écarts médians absolus (MAD) sont calculés à partir des écarts apparents (vi) de la vitesse

(Vxi) par rapport à une médiane glissante de 11 valeurs centrée en « i ».

Soit :

Avec : : vitesse en m. s-1

Conclusion et perspectives

Ainsi, afin d’obtenir les meilleurs résultats pour l’horodatage des données issues du

suivi tachéométrique, il faudra employer une fréquence d’acquisition de 10 Hz puis procéder

à une correction de l’horodatage des mesures. Cette rectification consistera à incrémenter, à

partir de la première mesure horodatée, un laps de temps constant de 100ms tout en tenant

compte des sauts, auquel cas il faudra affecter 2 fois ce laps de temps soit 200ms.

( 5 )

( 6 )

( 7 )



Dans le but d’évaluer plus justement la précision du suivi tachéométrique, il serait

notamment intéressant de vérifier l’interdistance entre chaque mesure lors du suivi d’un objet

se déplacant en ligne droite et à vitesse constante. En effet, la durée d’enregistrement d’une

mesure par le Trimble S8 en mode suivi définit par le constructeur est de 0.4s soit plus que la

fréquence d’acquisition paramétrée à 10Hz ! Ainsi ce paramètre pourrait être à l’origine des

erreurs observées.

Le bon horodatage des mesures est primordiale si nous souhaitons par la suite

quantifier la précision de la trajectoire par odométrie visuelle et surtout procéder à la rectifica-

tion des données bathymétriques.

55..22.. OOPPÉÉRRAATTIIOONNSS EETT TTRRAAIITTEEMMEENNTT DDEE LL ’’OOVVSS

L’Odométrie Visuelle Simplifiée est une technique permettant de déterminer les

positions successives des centres de perspectives du système d’inspection, à partir des images

du piédroit prise à intervalle de temps régulier par la paire stéréoscopique de caméra Marlin.

D’autre part, un recalage périodique sur des plaquettes décamétriques permet d’éviter toutes

dérives de cette technique de positionnement.

Dans ce cas présent l’orientation relative des caméras est directement connues à l’issue du

calibrage et il n’est donc pas nécessaire de saisir des points de jonctions entre les images

contrairement à Photomodeler Scanner. Ainsi l’odométrie visuelle simplifiée vient remplacer

la méthode de géoréférencement basée sur des images prises par une unique caméra à des

instants différents et dont les calculs d’orientation relatives et la recherche de points homo-

logues sont trop lourd. Toutes les considérations afférentes à l’odométrie visuelle simplifiée et

à la trajectographie sont présentées dans (Albert, et al., 2013).

Les études menées durant ce PFE ont permis pour la première fois de mettre en corrélation la

trajectoire du système déterminée par tachéométrie (servant de référence) et celle déterminée

à l’aide de cette technique. Une analyse des fichiers d’horodatages des images de chaque

expérimentation à notamment été réalisée.


Calibrage du système

Pour chaque expérimentation il a été nécessaire de procéder pour chaque couple

stéréoscopique à l’orientation interne, au calibrage stéréoscopique et la rectification épipo-

laire. Ce calibrage en 3 étapes, effectué durant ce PFE et explicité dans les travaux de (Guittet,

2012), permet de corriger les images de chaque couple stéréoscopique et d’assurer le bon

fonctionnement des algorithmes implémentés pour les calculs d’odométrie visuelle simplifiée

automatique énoncés en Annexe N et expliqué par (Chavant, 2013).

Avant chaque expérimentation, il a fallu procéder à la correction de la balance des

blancs de chacune des caméras et définir un temps d’exposition ainsi qu’un gain adéquate afin

d’obtenir des images avec une bonne exposition et colorisation. Ces réglages sont importants,

car même s’il est possible de procéder à des traitements en aval, ils permettent d’avoir une

image plus fidèle à la réalité avec une homogénéité d’éclairage et de colorimétrie entre

chaque image, et de réduire les procédures de traitements pouvant affecter la qualité des

images.



En ce qui concerne la synchronisation des prises de vue, elle est gérée par un nouveau

générateur de basses fréquences produisant une impulsion toutes les 200ms (5Hz) ayant fait

l’objet de plusieurs tests et vérification durant mon PFE. Un contrôle de cette synchronisation

a été réalisé lors de ce PFE suivant la même procédure qu’employée par (Guittet, 2012) afin

de s’assurer du bon fonctionnement de l’ensemble du dispositif d’acquisition.


Fichiers d’horodatages

Pour l’analyse des fichiers d’horodatages (écrits au format .me0), nous avons calculé

la différence de temps entre 2 images successives de chacune des caméras et la différence de

temps entre les images prises à un même instant par une paire de caméra. Nous observons

ainsi des erreurs semblables à celles rencontrées lors des travaux de (Guittet, 2012). C'est-à-

dire qu’au lieu d’obtenir un unique intervalle de temps de 200ms (pour une fréquence

d’acquisition à 5Hz) entre chaque photo prise par une caméra, nous avons un laps de temps

soit de 203ms, soit de 187ms comme présenté sur la Figure 63. Ces erreurs entrainent donc un

décalage dans l’horodatage des images entre 2 caméras Marlin ou Pike comme illustré sur la

Figure 62. D’autre part, on remarque en rouge sur la Figure 63 des différences de temps soit

bien supérieur soit bien inférieur à 200ms, traduisant une erreur dans l’horodatage des images.

Cependant, ces erreurs sont uniquement liées à l’écriture du temps affecté à chaque image. En

effet, bien que le fichier d’horodatage semble annoncer des laps de temps différents entre

deux images successives, les images ont en réalité bien été acquises avec un écart de 200ms.

Ainsi, le fichier d’horodatages doit donc faire l’objet d’une rectification afin que les images

de l’ensemble des 4 caméras soit correctement horodatées, éléments importants si nous

Figure 63 Différence de temps entre 2 mesures successives. Marlin droite, passage 1 dans tunnel de Niderviler.

Figure 62 Différence de temps entre les images de 2 caméras Marlin. Passage 1 dans tunnel de Niderviler. En rouge

sont les valeurs différentes de 0s traduisant une différence dans le temps affecté à une image prise par 2 caméras au

même instant.



souhaitons plus tard associer un temps à chaque variation angulaire (Omega, Phi, Kappa) des

caméras entre chaque prise de vue.

Trajectoire par Odométrie Visuelle Simplifiée (OVS).

Les images prises par le couple de caméras Marlin permettent de déterminer la

trajectoire (en planimétrie) du mobile en estimant le déplacement des caméras par rapport au

piédroit du tunnel, soit leur avancement selon une abscisse curviligne et leur profondeur par

rapport au mur.

Dans le but d’analyser la qualité des résultats de la trajectographie obtenus par odométrie

visuelle simplifiée, nous avons pu durant ce PFE les comparer avec les résultats obtenus par

tachéométrie. Ainsi en comparant les variations planimétriques du bateau déterminées à l’aide

de ces deux techniques, nous pouvons observer sur la Figure 65 une bonne corrélation malgré

une légère différence sur l’amplitude des variations planimétriques (plus faible dans le cas de

l’OVS). Cependant, lorsque l’on confronte les calculs de vitesse du bateau à partir de ces 2

techniques, nous observons un léger systématisme (surestimation) d’environ 2.5cm.s-1

(visible

sur la Figure 64) ainsi qu’une variation d’amplitude bien plus importante pour les mesures de

l’OVS (environ 10 cm.s-1

au lieu de 1.5cm.s-1

en réalité) comme nous pouvons le voir sur la

Figure 64.

Ces écarts sont difficiles à quantifier mais nous pouvons faire l’hypothèse qu’ils sont liés à

une sous estimation de la disparité-stéréo liée au changement de cap du mobile et/ou aux

variations planimétriques du piédroit.

En effet, en ce qui concerne les changements de cap du bateau, nous pouvons faire l’approche

suivante à partir des résultats obtenus :

Figure 64 Profil de vitesse du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En rouge la vitesse calculée par OVS, en bleu la

vitesse calculé par tachéométrie.

Figure 65 Variations planimétriques du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En bleu les résultats de l’odométrie, en

vert les résultats du suivi tachéométrique.



L’odométrie visuelle simplifiée fait l’hypothèse que la trajectoire suivie par les caméras est

parallèle au piédroit du tunnel, soit que la profondeur Z de chaque caméra par rapport au mur

est constante entre chaque image.

Cependant, le bateau ne suit jamais une

trajectoire rectiligne, et les changements

de cap peuvent être la source des erreurs

rencontrées dans la détermination de la

trajectoire et de la vitesse du bateau.

Ainsi, à un même instant « t », si le

bateau tourne à gauche, les éléments du

mur (ex : Point A sur la Figure 66) sont

vus en avance, ce qui entraine une sur-

estimation de la vitesse du bateau. Dans

le cas contraire, lors d’un virage à droite, le dispositif continue de visualiser des éléments déjà

observés (ex : Point C sur la Figure 66) entrainant ainsi une sous-estimation de la vitesse.

Dans le but d’éviter ces changements de cap, et donc ces erreurs dans la détermination

de la vitesse et des variations planimétriques du bateau, un passage a été réalisé en longeant la

lisse du tunnel. Cette fois-ci, les résultats présentés en Annexe G (Expérimentation 3) nous

montrent une meilleure détermination de la vitesse (toujours avec un systématisme de

2.5cm.s-1

) mais une mauvaise corrélation en ce qui concerne la détermination des variations

planimétriques du bateau. Sachant que les variations planimétriques du mobile déterminées

par OVS dépendent de la forme du mur, une étude portée sur les variations planimétriques du

piédroit a été réalisée afin de savoir si les importantes

variations observées sur les résultats de l’OVS sont

bien liées à la forme du piédroit. Pour cela, nous

avons réalisé deux coupes du tunnel dans le nuage de

points lasergrammétrique acquis lors des travaux de

(Tisserand, 2011). Une à hauteur des catadioptres (soit

Z=268.036m) et une à hauteur des plaquettes

(Z=268.606m) comme présenté sur la Figure . Ces

coupes ont été réalisées sous le logiciel Trimble

Realworks avec l’outil « Inspection Map Analyzer »

de la manière suivante :

- Ajustement de 2 plans sur le nuage de points

à hauteur des catadioptres et à hauteur des plaquettes

avec un écart-type de 1cm.

- Création de 2 coupes d’une largeur de 5cm et

perpendiculaires aux 2 plans précédemment créés.

- Export au format ASCII des coupes sous la

forme d’une polyligne 3D.

Après comparaison des variations planimétriques du mur et les données de l’odométrie

visuelle visible en Figure et en Annexe H, nous remarquons que les faibles variations

planimétriques du piédroit ne sont pas à l’origine des importantes variations dans la détermi-

nation de la trajectoire du bateau par OVS. En effet, nous observons des variations

planimétriques de quelques centimètres sur le piédroit (de ±5cm par rapport à l’axe du mur)

contre une vingtaine de centimètre sur la trajectoire du bateau. Nous pouvons cependant

remarquer une sensible corrélation entre la courbure du piédroit et la position du système en

entrée de tunnel du côté de Niderviller (représenté en pointillé sur la Figure ). De plus, nous

remarquons un pic au milieu de la trajectoire du bateau (décalage d’environ 45cm) ; pic induit

Figure 66 Zone visualisée par les caméras lors de changements

de cap du bateau affectant les résultats de l'odométrie visuelle.

Figure 67 Coupes dans le nuage de points laser

sous Trimble Realworks



Figure 68 Comparaison des variations planimétriques du piédroit (en Bleu) et des

variations planimétriques du dispositif déterminée par OVS (en Vert). Les données

lasergrammétriques ne se trouvent qu’aux extrémités du tunnel.

Figure 69 Corniche au centre

du tunnel

par la présence d’une corniche (Figure ) au sein du tunnel et visible

sur l’ensemble des passages présentés en Annexe H.

Ainsi, les variations planimétriques importantes observées sur la

trajectoire du bateau par odométrie visuelle sont essentiellement dues

à des changements de cap, bien que la forme du piédroit observé

puisse entrainer des erreurs sur les calculs de l’OVS.

Conclusion et perspectives

Les analyses portées sur les résultats de l’odométrie visuelle simplifiée ont ainsi mis

en évidence certaines limites du système. Bien que cette technique soit performante dans le

cas où le mobile se déplace suivant une ligne droite et que les objets observés par le dispositif

d’inspection soient dans un même plan parallèle à la trajectoire du mobile, à partir du moment

où ces conditions ne sont plus respectées, les résultats s’en trouvent plus ou moins affectés.

Le paramètre entrainant le plus d’erreurs sur l’estimation de la disparité-stéréo, et donc sur la

détermination de la position planimétrique du système par rapport à l’objet observé, serait

donc le cap suivi par le bateau à chaque instant.

De ce fait, si nous souhaitons obtenir de meilleurs résultats avec cette technique, il

serait nécessaire de procéder aux mesures ou aux calculs des variations de cap du bateau et de

les prendre en compte dans les calculs de l’OVS. Cependant cette tâche ne sera pas simple à

implémenter, d’autant plus que nous souhaitons conserver le caractère automatique des

algorithmes de traitements qui se présente comme l’atout principal de cette technique.

Dans la mesure où, actuellement, il n’est pas possible de déterminer les variations de

cap de l’embarcation, il semblerait intéressant d’analyser les résultats de l’OVS automatisée

dans le cas où les murs observés ne seraient ni plans, ni parallèles à la trajectoire du mobile

qui serait quant à elle rectiligne. Ce test permettrait d’observer l’influence de la forme et

position des structures observées sur la détermination de la trajectoire du système à l’aide de

cette technique.

Corniche



55..33.. OOPPÉÉRRAATTIIOONNSS EETT TTRRAAIITT EEMMEENNTTSS PPHHOOTTOOGGRRAAMMMM ÉÉTTRRIIQQUUEESS

Pour procéder à la modélisation tridimensionnelle des parties émergées des canaux

urbains et tunnels canaux, le système s’appuie sur les principes de la photogrammétrie afin de

s’allouer de toutes informations de trajectoires et d’attitudes difficiles à obtenir dans les

milieux sans couverture de signal GPS. Cette technique peut notamment permettre d’obtenir

la trajectoire du centre de perspectives de l’ensemble des dispositifs de vue, cependant nous

verrons que les procédures de traitements sont assez lourdes. D’autre part, il n’est pas simple

d’établir un lien entre les données photogrammétriques et les données actuelles du SONAR.


Photographie du système

Lors de chaque expérimentation le système d’inspection a été photographié sous

différents angles sur 360° afin de procéder à la création d’un modèle tridimensionnel à

l’échelle du dispositif. Il est important de connaître certaines distances sur le dispositif afin de

mettre à l’échelle le modèle et pour déterminer les biais XYZ entre différents instruments.

Photographie des canaux et tunnels-canaux

En ce qui concerne les prises de vue des structures à inspecter, celles-ci sont, depuis

les travaux de (Tisserand, 2011), réalisées à l’aide de 2 paires de caméras Pike et Marlin de la

technologie Allied Vision. Dans le cas de tunnels-canaux, ces caméras sont orientées selon 3

configurations différentes présentées en 3.1.1 Structure initiale du système.

Lors d’expérimentations réalisées sur les canaux de Strasbourg, le dispositif a dû être modifié

et réadapté sur une nouvelle embarcation, le « Gambsheim 1 ». Cette fois-ci les caméras ont

été orientées de part et d’autre du système afin de visualiser les digues bâbord et tribord en un

seul passage lors de l’avancement du bateau dans un milieu ou le signal GPS est de très

mauvaise qualité.

L’acquisition et la synchronisation des images ont été gérées à l’aide du nouveau générateur

de basses fréquences. Ainsi, et comme observé lors de précédents travaux, cette fréquence

d’acquisition assure un bon compromis entre le recouvrement entre les images de chaque

paire de caméras et la quantité d’images générées.


Modélisation du système.

Cette modélisation a pour but de déterminer la position de chacun des centres de prises

de vue, les uns par rapport aux autres. De plus, le modèle étant mis à l’échelle, il est possible

de mesurer les biais XYZ entre différents appareils de mesure. La mise à l’échelle du modèle

étant réalisée après avoir renseigné certaines distances entre plusieurs cibles codées 8bits. Ces

cibles, reconnaissables par le logiciel de traitements Photomodeler Scanner, ont pour but

d’automatiser l’orientation des photos.

Afin de déterminer la position du centre de prise de vue de chaque caméra, les quatre coins de

ces dernières sont mesurés sur le modèle Photomodeler comme présenté sur la Figure 70

Partie du modèle 3D du système d'inspection du 11 Juin 2014.. Le barycentre de ces quatre

points donnant ainsi le centre de prise de vue.



Figure 70 Partie du modèle 3D du

système d'inspection du 11 Juin 2014.

Lors de ce traitement, le même problème que celui rencontré

lors des travaux de Marchand est survenu. En effet, la

reconnaissance automatique des cibles codées ne se faisant

pas correctement, il a été nécessaire de procéder à

l’orientation manuelle des photos. Pour chacun des modèles,

correspondant aux différentes configurations du système,

nous avons obtenons un résultat final avec une erreur

moyenne d’environ 3 pixels.

La mise à l’échelle du modèle permet ensuite d’avoir les

dimensions du système et surtout de déterminer les biais

XYZ entre les différents appareils de mesures ; informations

importantes si nous souhaitons par la suite corriger les effets

de cap, roulis et tangage d’un échosondeur multifaisceaux à

partir des informations provenant d’une centrale inertielle ou

des caméras.

Modélisation de la voûte du tunnel-canal et des abords de canal.

Avant de procéder à la réalisation du modèle tridimensionnel des éléments observés

sous Photomodeler Scanner, il est nécessaire de rectifier et coloriser les images provenant des

caméras Marlin et Pike après calibrage dont la procédure a été expliquée par (Tisserand,

2011). Ces premiers traitements, réalisés durant ce PFE à l’aide du software Presto développé

en interne, nous permettent de transformer les images brutes (.raw) en images visualisables

(.jpeg), colorisées et corrigées de toutes distorsions radiales et tangentielles.

Dans un deuxièmes temps il a été nécessaire de contrôler ces rectifications en vérifiant la

correspondance des droites épipolaires et des points homologues entre les images de chaque

paire de caméras pour chacune des expérimentations.

Une fois ces corrections et contrôles réalisés, nous pouvons procéder à la création d’un

modèle 3D sous Photomodeler. Les différentes phases de traitements étant assez lourde

(calcul des orientations relatives et recherches de points homologues), il est nécessaire de

construire ce modèle en plusieurs étapes, par l’intégration d’une quantité raisonnable de

photos à chaque calcul. D’autre part, il est important de renseigner et de fixer dans le projet

Photomodeler un certain nombre de points d’appuis géoréférencés afin d’obtenir un modèle

tridimensionnel exact et d’éviter les effets de courbures. Les points d’appuis du site test de

Niderviller et ceux de la Petite France qui ont été levés durant ce Projet de Fin d’Études sont

exposés en Annexe L et en Annexe M.

Bien que Photomodeler soit un outil puissant pour procéder à la création de modèles photo-

grammétriques géoréférencés, ce logiciel est régulièrement sujet à un échec de traitements

lorsqu’il s’agit de procéder à la création d’un modèle 3D de grande envergure de la totalité de

la voûte du tunnel. Ces échecs peuvent être la conséquence de plusieurs éléments :

- Les photos proviennent de différentes caméras (Marlin, Pike, Canon) ayant des

modèles de distorsion bien différents les unes des autres.

- Le recouvrement entre les images Pike et Marlin est trop faible.

- Les contraintes imposées par les points d’appuis pour l’ajustement du modèle ne

s’appliquent que sur un côté du tunnel.

- Les calculs d’orientations relatives et de correspondance entre les images étant à la

fois longs et complexes, ils nécessitent un ordinateur ayant une unité centrale de traitement de

grande capacité ainsi qu’une mémoire vive et virtuelle importante.



5.3.3. Correspondance entre modèle Photogrammétrique et Image Sonar

Bien qu’il soit possible de procéder au géoréférencement du modèle 3D photogram-

métrique par l’apport de points d’appuis connus en coordonnées, l’image SONAR n’est quant

à elle pas géolocalisée ce qui rend difficile voir impossible la mise en correspondance entre

les données du SONAR et celles des caméras. Cependant, des éléments bien particuliers

comme des échelles d’accès ou des corniches, permettent d’établir un lien entre l’image sonar

et le modèle tridimensionnel des structures hors d’eau. Ainsi, à l’heure actuelle, il est possible

de connaître approximativement la position des objets observés sur une image SONAR par

rapport aux données photogrammétriques et d’analyser la nature de ces objets comme sur la

Figure ou encore en Annexe I.

Conclusion et Perspectives

Les éléments particuliers qui sont donc à la fois visibles sur le modèle 3D généré par

photogrammétrie et sur le futur modèle généré par bathymétrie pourront servir de contrôle ou

de points d’appuis pour recaler ces 2 nuages de points. En effet, par l’emploi de primitives

géométriques (cylindre, plan, droite, etc.) sur les deux modèles et mise en correspondance de

ces objets, il serait possible de consolider l’ensemble des nuages de points provenant des deux

systèmes d’acquisitions et donc de géoréférencer les données bathymétriques à partir des

données photogrammétriques.

Objet Sous-bassement

Poteaux

Échelle d’accès

Figure 71 Représentation 3D simplifiée du lien entre imagerie acoustique du sonar et photographies lors d’une expérimentation menée dans le quartier de la Petite France.



VVII.. CCOONNCCLLUUSSIIOONN EETT PPEERRSSPPEECCTTIIVVEESS

L’objectif principal de ce Projet de Fin d’ Études était de faire l’étude de l’ensemble

des techniques d’acquisitions bathymétriques existantes, de déterminer l’appareil le plus

adéquat pour l’inspection tridimensionnelle des parties immergées de canaux urbains et

tunnels-canaux et d’évaluer les capacités du système d’inspection actuel à accueillir un tel

instrument de mesures. Les diverses études réalisées durant ces 6 mois de recherches ont

permis d’une part de répondre à ces problématiques, et d’autre part de procéder à de multiples

analyses sur la synchronisation des données et sur les calculs de trajectographies du système

par tachéométrie ou odométrie visuelle simplifiée.

L’État de l’Art a, dans un premier temps, permis de faire l’inventaire de l’ensemble

des techniques d’acquisitions subaquatiques plus ou moins précises possibles à ce jour. Par la

suite, une étude plus approfondie sur la technologie employée pour chacun de ces instruments

et sur leur fonctionnement nous a permis de déterminer les avantages et inconvénients de

chacun d’entre eux et de définir l’appareil de mesure le plus adéquat pour ce projet de

développement, soit l’échosondeur multifaisceaux (SMF).

Étant donné que ce type d’instrument est extrêmement couteux, et qu’il n’est pour le moment

pas possible pour le Laboratoire de Recherche de procéder à l’acquisition d’un tel système,

une première liste de contacts avec lesquels il sera possible, soit de procéder à une prestation

de service, soit à un prêt de matériels, a été établie. D’autre part, de nombreuses sociétés

s’attèlent à ce même problème de positionnement dans des milieux ou le signal GPS n’est pas

présent et semble être intéressées par le développement d’un tel projet. Leur contribution,

notamment dans le domaine bathymétrique, pourrait être un atout de valeur si une convention

de partenariat était signée.

Suite à ces premières recherches, l’emploi d’un SONAR à balayage latéral mis à

disposition par les Voies Navigables de France nous a permis d’étudier les capacités du

système d’inspection existant à pouvoir accueillir un instrument de mesure subaquatique.

Bien qu’il soit possible d’intégrer un tel instrument au dispositif actuel, l’analyse des données

acquises par ce type d’appareil s’avère être difficile pour deux raisons principales : la

complexité de la propagation des ondes acoustiques dans un environnement confiné tel que

les canaux urbains et tunnels-canaux et les mouvements du mobile sur lequel est fixé le

système. En effet, les images SONAR présentent un grand nombre de déformations géomé-

triques liées aux déplacements et à l’orientation de l’embarcation mais aussi des distorsions

liées à la propagation des ondes dans un milieu confiné et à l’incapacité du système à

discriminer angulairement la provenance des échos.

Dans la mesure où les distorsions entrainées par la propagation et la provenance des échos

puissent être évitées avec un échosondeur multifaisceaux, les déformations induites par les

changements d’attitudes de l’embarcation doivent nécessairement faire l’objet d’une correc-

tion suite aux mesures des valeurs de cap, roulis et tangage du système à chaque instant.

Ainsi, lors de prochains tests avec un SMF, l’utilisation d’une centrale inertielle parfaitement

hybridée avec l’échosondeur sera indispensable afin d’obtenir un nuage de points subaqua-

tique précis.

CCHHAAPPIITTRREE



Étant donné que la trajectoire du mobile ne peut être mesurée par GPS, celle-ci doit

être déterminée à l’aide d’autres techniques : la tachéométrie, la photogrammétrie ou

l’odométrie visuelle. Les études réalisées durant ce projet de recherche ont, dans un premier

temps, permis de constater et d’analyser l’origine des erreurs dans les fichiers d’horodatages

des mesures tachéométriques qui peuvent maintenant faire l’objet d’une rectification.

Rappelons que l’horodatage des données est un point extrêmement important dans le cas de

mesures (photos et bathymétrie) acquises en dynamique. En effet la bonne synchronisation

des mesures est un point indispensable si nous souhaitons par la suite rectifier justement

chacune des impulsions acoustiques du SMF à partir des données de l’odométrie visuelle

simplifiée et/ou des données tachéométriques.

Dans un second temps, les analyses portées sur les résultats de l’odométrie visuelle simplifiée

ont montré que cette technique, bien qu’elle soit prometteuse de par sa simplicité et son

automatisme de traitements, présente des limites dans la détermination de la trajectoire et de

la vitesse du système inférée par les changements de cap du mobile affectant les calculs de

disparité-stéréoscopique. La limitation de ces erreurs pourrait être envisageable en renseignant

des informations sur les variations de cap du bateau, cependant les algorithmes implémentés

jusque là s’en trouveront grandement complexifiés au risque peut être de perdre le caractère

automatique de cette technique.

Ainsi, bien que la création d’un modèle tridimensionnel photogrammétrique puisse

s’affranchir d’un certains nombres de paramètres tel que la synchronisation des données et les

calculs de trajectoire, il n’en est pas du même ressort en ce qui concerne la création d’un

modèle 3D subaquatique bathymétrique. Il sera donc nécessaire, dans un premier temps, de

coupler les informations provenant d’une centrale inertielle et d’un tachéomètre afin d’obtenir

des données bathymétriques rectifiées. Une attention particulière sera portée sur la synchroni-

sation et l’horodatage des mesures bathymétriques, tachéométriques et inertielles. D’autre

part, il sera aussi important de définir et déterminer précisément les biais XYZ entre les

différents instruments de mesures du dispositif d’inspection ainsi que leur orientation

(notamment l’inclinaison du sondeur multifaisceaux) afin d’éviter tout systématisme.

Dans le but d’étudier la précision des futures mesures bathymétriques, il pourra être intéres-

sant de mettre en place un modèle tridimensionnel subaquatique de référence. Pour cela, on

pourra procéder au lever des parties immergées du tunnel-canal de Niderviller à l’aide d’un

scanner SONAR bathymétrique (tel que le Teledyne BV5000 dont les données peuvent être

traitées sous Leica-Cyclone) dont le fonctionnement en statique permettra de générer un

nuage de points de référence pour les futures expérimentations en dynamique qui se baseront

sur la trajectoire soit tachéométrique, soit photogrammétrique, soit odométrique.

Par ailleurs, il peut s’avérer être intéressant d’étudier une possible corrélation entre les

variations angulaires (oméga, phi, kappa) des caméras lors des calculs d’orientations relatives

et les variations d’attitudes (cap, roulis, tangage) d’une centrale inertielle afin de savoir s’il est

possible de s’affranchir de cette dernière.

Prochainement, une thèse aura pour objectif de mettre au point ce système

d’inspection des tunnels canaux permettant une reconstruction 3D texturée et géoréférencée

de l’intégralité des tunnels dont la localisation précise se fera à partir des informations

visuelles issues des caméras. De plus, ces futures études permettront de mettre au point une

méthode de fusion automatique des données issues des deux systèmes d'acquisition 3D. Le

futur doctorant pourra s’appuyer sur les travaux de recherches réalisés durant ce PFE afin de

procéder aux premières mesures tridimensionnelles des parties immergées des tunnels canaux

et canaux urbains.



VVIIII.. TTAABBLLEE DDEESS IILLLLUUSSTTRRAATTIIOONNSS

Figure 1 Principe de fonctionnement d'un sondeur monofaisceau (source web: OzCoasts.gov) ______________ 7 Figure 2 Faisceaux d’émissions et de réceptions croisés (source : SHOM,2005) ___________________________ 9 Figure 3 Modèle 3D obtenu à l'aide d'un sondeur multifaisceaux sur le port de Marseille source : (Fraleu, et al., 2006). ___________________________________________________________________________________ 10 Figure 4 Combinaison de mesures LiDAR et Sondeur multifaisceaux (source : CIDCO & Mosaic3D) __________ 10 Figure 5 : Signal d'un émetteur CHIRP (a) et signal d'un émetteur classique (b) source : INTECHMER (2007) ___ 13 Figure 6 Représentation 3D du fond de la New River en Floride sondé avec le SONAR EdgeTech 4600, source : Nick LAWRENCE, Directeur, Développement des affaires internationales EdgeTech. ______________________ 14 Figure 7 Visualisation en temps réel des données acquises par le SONAR EdgeTech 4600, source : Philippe GOARANT, Responsable Hydrographique MacArtney France. _______________________________________ 14 Figure 8 AquaPix® INSAS2 intégré au robot Alister 18 de chez ECA Robotics. Source : Kraken SONAR System Inc. ________________________________________________________________________________________ 15 Figure 9 Caméra acoustique Echoscope® montée sur une pelle de manutention pour la pose d'enrochement (à gauche), visuel tridimensionnel en temps réel (à droite) Source : Coda Octopus (https://www.youtube.com/watch?v=hUJZrwxrssk) _______________________________________________ 17 Figure 10 Teledyne Blue View BV5000 sur trépied avec tête panoramique et d'inclinaison. source : Documentation BlueView ____________________________________________________________________ 19 Figure 11 Inspection d'une sortie de groupe de restitution, source : Présentation générale 2014 de la société Sub-C Marine. _____________________________________________________________________________ 19 Figure 12 Schéma de principe d’un LiDAR bathymétrique. A gauche le faisceau laser topographique (Infrarouge), à droite le faisceau laser bathymétrique (Bleu-Vert). Pour chaque faisceau est représenté le train d’onde retour. Source : (Mandlburger, et al., 2013) ____________________________________________________________ 21 Figure 13 : Scanner laser 3D sous-marin produit par Teledyne CDL INSCAN et mis au point par la société Américaine 3D at depth. Source : brochure Teledyne. ______________________________________________ 23 Figure 14 Résultats d'une campagne LiDAR sub-aquatique menée à 7000 pieds de profondeur à l'aide du scanner laser sous-marin SL1 (INSCAN) par 3D at Depth. Source : http://youtu.be/6R74NbqywLU __________ 23 Figure 15 Orientation des caméras Pike (en rouge) et Marlin (en bleu) du système d'inspection. L'angle indiqué correspond à l'orientation des caméras Pike. (inspiration [Tisserant,2011]).____________________________ 26 Figure 16 Configuration du système d'inspection en date du 18 mars 2014. . ___________________________ 27 Figure 17 SONAR latéral STARFISH 452F, source : Doc. technique Tritech ______________________________ 27 Figure 18 Distinction de 2 objets rapprochés par l'emploi d'un signal modulé en fréquence. Source : Guide programmeur StarfishSDK ___________________________________________________________________ 28 Figure 19 Spectre fréquentiel de la tension excitant les antennes du Starfish 452F._______________________ 29 Figure 20 Tension excitant les transducteurs bâbord et tribord du Starfish 452F. On remarque que l’effet CHIRP et la mise en phase des signaux bâbords et tribords se fait correctement. ______________________________ 29 Figure 21 Courbe représentative de la Loi de TVG du Starfish 452F. On remarque que l’amplification de l’écho capté par le SONAR commence à partir de 6m. ___________________________________________________ 30 Figure 22 Illustration de l'amélioration de la résolution transversale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan vertical, en bas l'image SONAR résultante. ___________________________________________________________________ 31 Figure 23 Illustration de la détérioration de la résolution azimutale du système SONAR en fonction de la distance. En haut la forme de l'onde et son empreinte suivant son avancement dans un plan horizontal, en bas l'image SONAR résultante. . __________________________________________________________________ 32 Figure 24 Illustration de la cellule de résolution du SONAR et son évolution en fonction de l'éloignement et l'angle d'incidence. _________________________________________________________________________ 33 Figure 25 Illustrations des 4 zones spécifiques sur une image SONAR acquise sur les canaux de Strasbourg le 11 Juin 2014. ________________________________________________________________________________ 34 Figure 26 Rotule pour l'orientation du SONAR. ___________________________________________________ 36 Figure 27 Fixation du SONAR sur la structure principale du système. __________________________________ 36 Figure 28 Orientation du SONAR à 45°. Test pour l'inspection des structures verticales. ___________________ 36 Figure 29 Orientation du SONAR à l'horizontale permettant principalement d'imager le fond du canal. ______ 36



Figure 30 Orientation du SONAR à 75°. Test pour l'inspection des structures verticales avec visée rasante. . __ 36 Figure 31 Image SONAR post-traitée. Le piédroit droit du mur observé par le transducteur gauche est redéfini sur la partie droite de l'image. On remarque sur la partie gauche une bande sombre correspondant à l’écho du transducteur droit orienté vers la surface de l’eau. (diffusion de surface) ______________________________ 37 Figure 32 Image SONAR non traitée. Le piédroit droit du mur observé apparait du côté gauche de l'image. La partie droite étant uniquement la duplication de l'image de gauche par le transducteur droit (effet de diaphonie). _______________________________________________________________________________ 37 Figure 33 Illustration schématique du dispositif de mesure sur le « Gambsheim 1 » ______________________ 38 Figure 34 Schéma explicatif pour la détermination de la hauteur d'un objet. ___________________________ 40 Figure 35 Illustration de l'effet "ghosting" sur un échosondage entre Niderviller et Arzviller. Sortie de tunnel côté Arzviller __________________________________________________________________________________ 42 Figure 36 Illustration de la diaphonie lors de l'échosondage du premier tunnel-canal entre Nierdeviller et Arzviller. A droite, l’écho vrai du mur, à gauche l’effet de diaphonie. _________________________________ 42 Figure 37 Thermocline affectant une image SONAR. Source : http://www.fennent.com/ __________________ 43 Figure 38 Distorsion causée par un changement de direction (virage) lors d’une expérimentation dans les canaux de Strasbourg. ____________________________________________________________________________ 44 Figure 39 Diffusion de surface observée dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller après inclinaison du SONAR à 45 degrés. ________________________________________________________________________ 44 Figure 40 Déformations provoquées par le soufle de l'hélice du bateau. Expérimentation du 11 juin 2014 sur les canaux de Strasbourg ______________________________________________________________________ 45 Figure 41 Exemples de bruits sonores affectant une image SONAR dans le tunnel-canal de Niderviller à Arzviller. ________________________________________________________________________________________ 46 Figure 42 Illustrations des effets de raccourci sur une image SONAR. _________________________________ 47 Figure 43 Illustrations de l'effet de repliement. ___________________________________________________ 47 Figure 44 Effet de repliement sur les murs immergés du tunnel-canal de Niderviller lors d’un passage du SONAR à plat (flèche blanche). ______________________________________________________________________ 48 Figure 45 Illustration de l'interaction de l'onde sonore en fonction de l'angle d'incidence. L'onde rouge, ayant un angle d'incidence de 0°, est fortement rétrodiffusée par rapport à l'onde en bleu. Ainsi on aura une ligne de forte intensité au niveau de l’onde sonore rouge. _________________________________________________ 48 Figure 46 Illustration des ondes formant l'écho du pied de mur. En rouge l'onde rétrodiffusée, en orange et bleu des ondes ayant subi de multiples réflexions avant d'être assimilées comme étant l'écho du pied de mur. On aura ainsi un signal retour de forte intensité à ce niveau. __________________________________________ 48 Figure 47 Illustration de la projection sur le plan horizontal de la structure verticale observée. Plus on s'éloigne du mur, moins le côté insonifié de celui-ci est visualisable sur l'image résultante. On remarque que les éléments présents entre 2 -4 et 3-4 sont superposés. ______________________________________________________ 49 Figure 48 Ombres portées des murs recouvrant 75% de l'image SONAR. L'analyse est donc portée uniquement sur la partie centrale de l'image, entre les 2 zones délimitées par les murs immergés. ____________________ 49 Figure 49 Illustration de l'effet de roulis d'un SONAR incliné d’un angle ϴ _____________________________ 50 Figure 50 Illustration de l'effet de cap d’un SONAR dérivant d’un angle ϴ _____________________________ 51 Figure 51 Illustration de l'effet de tangage d'un SONAR incliné d'un angle ϴ ___________________________ 51 Figure 52 Distorsions induites par les variations de vitesse du SONAR sur une portion d’image du transducteur tribord lors d’une expérimentation dans les canaux de l’Ill. En (A) compression de l’image lors d’un ralentissement, en (B) image correctement rectifiée, en (C) étirement de l’image lors d’une accélération. ____ 52 Figure 53 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l’expérimentation n°2 du 18 mars 2014. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. L’écart moyen quadratique (emq) étant de 42ms. ________________________________________________________________________________________ 54 Figure 54 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l’expérimentation n°3 d’Octobre 2014 avec le Trimble VX. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. __________________________ 55 Figure 55 Différence de temps entre 2 mesures successives lors de l’expérimentation n°4 d’Octobre 2014 avec le Trimble S8. En bleu correspondent les valeurs comprises entre 0.35s et 0.45s. __________________________ 55 Figure 56 Vitesse du bateau lors du passage n°2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la différence de temps entre chaque enregistrement. ___________________________________________ 55 Figure 57 Vitesse du bateau lors du passage n°2 dans le tunnel de Niderviller. La vitesse est calculée en fonction de la valeur médiane du temps écoulé entre chaque mesure. _______________________________________ 56 Figure 58 Illustrations du défaut mécanique compensé de l'appareil lors de l'enregistrement des mesures à 2.5Hz ____________________________________________________________________________________ 56



Figure 59 Calcul de vitesse en fonction du temps issu de l'horodatage (graphique du haut) et en fonction du temps médian (graphique du bas). Les valeurs en rouge représentent des 'outliers' au minimum de ±5% de la valeur médiane sur une fenêtre de 11 valeurs à chaque instant. Expérimentation n°1, passage aller, Petite France. __________________________________________________________________________________ 57 Figure 60 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d’horodatage filtré. Expérimentation n°1, passage aller, Petite France. __________________________________________________________________ 58 Figure 61 Profil de vitesse déterminé à partir des temps issus du fichier d’horodatage non filtré. Expérimentation n°1, passage aller, Petite France. ______________________________________________________________ 58 Figure 62 Différence de temps entre 2 mesures successives. Marlin droite, passage 1 dans tunnel de Niderviler. ______________________________________________________________________________________60 Figure 63 Différence de temps entre les images de 2 caméras Marlin. Passage 1 dans tunnel de Niderviler. En rouge sont les valeurs différentes de 0s traduisant une différence dans le temps affecté à une image prise par 2 caméras au même instant. ___________________________________________________________________ 60 Figure 64 Variations planimétriques du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En bleu les résultats de l’odométrie, en vert les résultats du suivi tachéométrique. __________________________________________ 61 Figure 65 Profil de vitesse du bateau au sein du tunnel de Niderviller. En rouge la vitesse calculée par OVS, en bleu la vitesse calculé par tachéométrie. ________________________________________________________ 61 Figure 66 Zone visualisée par les caméras lors de changements de cap du bateau affectant les résultats de l'odométrie visuelle. ________________________________________________________________________ 62 Figure 67 Coupes dans le nuage de points laser sous Trimble Realworks_______________________________62 Figure 68 Comparaison des variations planimétriques du piédroit (en Bleu) et des variations planimétriques du dispositif déterminée par OVS (en Vert). Les données lasergrammétriques ne se trouvent qu’aux extrémités du tunnel.________________________________________________________________________________63 Figure 69 Corniche au centre du tunnel________________________________________________________63 Figure 70 Partie du modèle 3D du système d'inspection du 11 Juin 2014.______________________________65 Figure 71 Représentation 3D simplifiée du lien entre imagerie acoustique du sonar et photographies lors d’une expérimentation menée dans le quartier de la Petite France.________________________________________66



VVIIIIII .. BB IIBBLLIIOOGGRRAAPPHHIIEE

Albert, J-L, et al. [2013]. Devising a visual inspection system for canal tunnels: preliminary

studies. XXIV International CIPA Symposium. 2-6 Septembre 2013, Vol. XL-5/W2, pp. 13-

18.

Amate, A., Hétet, A. et Legris, M. [2007]. Le Sonar à antenne synthétique, application à la

guerre des mines. [éd.] CIDB. Acoustique & Techniques. 2007, 48, pp. 23-29.

Beyer, R. [1998]. Sounds of our times - Two hundred years of acoustics. Springer-Verlag

New York, Inc., 1998. ISBN 0-387-98435-6.

Billon, D. et Fohanno, F. [2002]. Two improved ping-to-ping cross-correlation methods for

synthetic aperture sonar: theory and sea results. OCEANS '02 MTS/IEEE. 2002, Vol. IV, pp.

2294-2293.

Bisquay, H. [2010]. Cours sur la Bathymétrie. [éd.] GENAVIR. [Support de cours]. 2010.

Bisquay, H. [1999]. Cours sur les sondeur acoustiques. [éd.] Service Hydrographique et

Océanographique de la Marine. Support de cours. Brest, 1999.

Brahim, N. et al. [2014]. Reconstruction tridimensionnelle de scènes sous-marines à partir

de séquences d'images acquises par des caméras acoustiques. Département Image et

Traitement Information, Département des sciences géomatiques, Télécom Bretagne et

Université Laval. Brest, 2014. Mémoire de Thèse.

Chavant, P. [2013]. Evaluation absolue de méthodes de localisation et de reconstruction

panoramique et photogrammétrique d'un tunnel à partir d'un nuage de points de référence.

INSA. Strasbourg, 2013. p. 135, Mémoire de soutenance de diplôme d'ingénieur INSA.

Delachienne, LV. [2009]. Systèmes sonars latéraux déployés au SHOM. Navigation. 2009,

Vol. 57, 227, pp. 5-19.

Dezhang, C. et C. Hufnagle, L. [2006]. Time varying gain measurement of a mutlibeam echo

sounder for applications to quantitative acoustics. IEEE, 2006. p. 6., E-ISBN:1-4244-0115-1.

Dong, Y. [2007]. Phased Array Radar Data Processing Using Adaptive Displaced Phase

Centre Antenna Principle . Department of defense, Australian government. Defence Science

and Technology Organisation, p. 54, Rapport de recherche. DSTO-RR-0334 .

Embry, C., Hardy, M. et Nickerson, B. [2012]. High Resolution 3D Laser Imaging for

Inspection, Maintenance, Repair and Operations. 3D at Depth, RPSEA, 2012. Rapport Final

de phase 1. 09121-3300-06.

Fraleu, B., Vincenot, Y. et Denivet, F. [2006]. Modélisation 3D au service de l'inspection

d'ouvrages portuaires immergés. XYZ. 2006, Vol. 4e Trimestre, 109.



Guenther, G., et al. [2000]. Meeting the accuracy challenge in airborne LiDAR bathymetry.

Proceedings of the 20th EARSeL-SIG-Workshop LIDAR. 16-17 Juin 2000, 1, p. 27.

Guillé, B. [2008]. SONAR & Acoustique Sous-Marine. Portail Nareva. [En ligne] 2008.

[Citation : 22 Avril 2014.] nareva.info/ssn_sonar/index.htm.

Guittet, A. [2012]. Repérage d'un système d'inspection dans un tunnel-canal. INSA

Strasbourg, 2012. p. 96, Mémoire de soutenance de diplôme d'ingénieur INSA.

Habibur, R. [1979]. Digital Baseband Processing of a Mills' Cross Array Antenna. Master

University. 1979. p. 112, Thèse de Master.

Hansen, N. [2014]. Homepage of Nikolaus Hansen. [En ligne] 11 février 2014. [Citation : 28

février 2014.] https://www.lri.fr/~hansen/.

Hansen, N. et Ostermeier, A. [1996]. Adaptating arbitrary normal mutation distributions in

evolution strategies: The covariance matrix adaptation. Proceedings of the 1996 IEEE

International Conference on Evolutionary Computation. pp. 312-317

Hellequin, L. [1997]. Prétraitements et corrections pour un sondeur multifaisceaux.

Grenoble : IFREMER, 1997. p. 4. Seizième colloque GRETSI.

Hurtòs Vilarnau, N. [2009]. Integration of optical and acoustic sensor data for 3D

underwater scene reconstruction. Architecture and Technology University. Girona, 2009.

Thèse de Master en Vision et Robotiques (Programme VIBOT).

IHO. [2005]. Manual on hydrography. 1e édition. Monaco : Bureau international de

l'hydrographie, 2005. p. 554. Publication M-13.

INTECHMER Cours de Géophysique Marine et Appliquée. ForumBachelor. [En ligne],

2007. [Citation : 20 03 2014.] http://forumbachelor.free.fr/gma/index.php.

Kergomard, J., Friot, E. et Lavandier, C. [2010]. Le livre blanc de l'acoustique en France

en 2010. [éd.] SFA. 2010. ISBN 978-2-919340-00-2.

Koechner, W. [2006]. Solid-State Laser Engineering. Sixème édition révisée et mise à jour.

Springer Science, 2006. p. 748. ISBN-13 : 978-0387-29094-2.

Kornprobst, J. et Laverne, C. [2011]. A la conquête des grands fonds - Technique d'étude

de la géologie marine. Paris : Quae, 2011. pp. 15-23. ISBN 978-2-7592-0894-4.

Le Chenadec, G. [2004]. Analyse de descripteurs énergétiques et statistiques de signaux

sonar pour la caractérisation des fonds marins. Université de Bretagne Occidentale. Ifremer -

ENST Bretagne, 2004. p. 210, Thèse de doctorat.

Llort-Pujol, G., et al. [2012]. Advanced interferometric techniques for high resolution

bathymetry. Journal of Marine Technology society. 8 octobre 2012, Journal 46.



Lurton, X. [1998]. Acoustique sous-marine : Présentation et applications. IFREMER, 1998.

p. 114. ISBN 2-905434-929.

Lurton, X. [2010]. An introduction to underwater acoustics - Principles and Applications.

2nd édition. Springer Berlin Heidelberg, 2010. p. 724. ISBN 9783540784807.

Lurton, X. [2002]. An introduction to Underwater Acoustics - Principles and Applications.

SPRINGER, 2002. p. 347. ISBN - 978-3-540-78480-7.

Lurton, X. [1994]. Caractérisation des fonds marins par acoustique : état de l'art et

perspectives. [éd.] Laboratoire d'acoustique Sous-Marine. Brest : IFREMER, 1994. Vol. IV.

C5-1031.

Lurton, X. [2001]. Précision de mesure des sonars bathymétriques en fonction du rapport

signal/bruit. [éd.] GRETSI. Traitement du signal. 2001, Vol. 18, 3, pp. 179-194.

Mandlburger, G, et al. [2011]. Airborne Hydrographic LiDAR Mapping - Potential of a new

technique for capturing shallow water bodies. International Congress on Modelling and

Simulation. 19th, 2011.

Mandlburger, G., Pfennigbauer, M. et Pfeifer, N. [2013]. Analyzing near water surface

penetration in laser bathymetry - A case study at the river Pielach. ISPRS Annals of

Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 11-13 Novembre 2013,

Vol. II, 5.

Marchand, C. [2013]. Acquisition et traitement de données pour l'inspection de tunnel-

canaux. Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg. 2013. p. 30, Projet de

Recherche Technologique.

Marine Sonic Technology Ltd. [2011]. Towed Side-Scan SONAR System Operator's manual

V1.1.0. Virginie (USA) : Marine Sonic, 2011. p. 69. SSS-2TOM-0001.

Mobley, C. [1994]. Light and water : radiative transfer in natural waters. Academic Press,

1994. p. 592. ISBN 0125027508.

Moore, K., Jafe, J. et Ochoa, B. [1999]. Development of a New Underwater Bathymetric

Laser Imaging System: L-Bath. Journal of athmospheric and oceanic technology. 18 Octobre

1999, Vol. 17, pp. 1106-1117.

Nait-Chabane, A. [2013]. Segmentation invariante en rasance des images sonar latéral par

une approche neuronale compétitive. ENSTA Bretagne. 2013. p. 150, Thèse de doctorat.

Roupioz, L. et Landes, T. [2014]. Télédétection - Chapitre 8 (support de cours). Acquistion

de données hyperfrequences. Strasbourg : INSA Strasbourg, 2014.

Slattery, B.R. [1966]. Use of Mills' cross receiving arrays in radar system. 11. I.E.E., 1966.

p. 1712. Vol. 113.

Szeliski, R. [2011]. Computer Vision - Algorithms and Applications. Springer, 2011. p. 812.

ISBN 978-1-84882-935-0.



Theberge, A. E. [1989]. Souding pole to sea beam. Surveying and Cartography Volume 5.

NOAA Corps, 1989, pp. 334-346.

Tisserand, F. [2011]. Spécialité Topographie, Institut National des Sciences Appliquées de

Strasbourg & CETE de l'Est. 2011. p. 66, Rapport de stage ST2.

Vincent, P. [2013]. Modulated signal impact on multibeam echosounder bathymetry. Image

et Traitements de l'Information, Ecole Doctorale MATISSE. Renne, 2013. p. 202, Thèse de

doctorat.



IIXX.. AANNNNEEXXEESS

A. Les différents types de détection du fond ................................................................ 77

B. Propagation des ondes acoustiques dans l’eau et caractéristiques physiques .......... 80

C. Instrumentations complémentaires .......................................................................... 84

D. Contenu du fichier CSV du SONAR ....................................................................... 85

E. Analyse des fichier de synchronisation ME0 des caméras ...................................... 88

F. Analyse des données tachéométriques ................................................................... 102

G. Analyse des résultats de l’OVS .............................................................................. 116

H. Analyse coupe du tunnel ........................................................................................ 123

I. Mise en relation entre données SONAR et données photogrammétriques ............ 127

J. Liste de contacts ..................................................................................................... 128

K. Points topographiques Petite France ...................................................................... 130

L. Points de détails Petite France ............................................................................... 131

M. Points de détails Tunnel de Niderviller .................................................................. 132

N. Principe de l’OVS automatique ............................................................................. 133



A. LES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉTECTION DU FOND

Une fois les faisceaux formés pour chacune des directions considérées, la détection du fond

suit un processus d’analyse afin de déterminer le temps de vol et l’amplitude du signal acoustique

émis. La mauvaise détection du fond marin peut être, entre autres facteurs, liée à une mauvaise

performance des algorithmes employés pour cette détermination. Ces algorithmes sont de deux

types :

La détection de fond par amplitude :

Un ensemble de transducteurs va émettre en direction du fond marin une impulsion acoustique puis

démarre la période dite « d’écoute ». Durant cette phase, le signal retour est échantillonné dans le

temps pour chaque angle de faisceau. Le temps de vol du signal, correspondant au fond détecté, est

ainsi défini par l’analyse de l’amplitude du signal retour (Lurton, 1998).

Dans ce cas plusieurs méthodes, présentées dans le manuel de l’hydrographie (IHO, 2005), sont

employées par les échosondeurs sondeurs multifaisceaux pour détecter le fond :

- Le Front montant du signal réfléchi. Cette méthode est généralement utilisée lorsque

l’angle d’incidence des signaux acoustiques sur le fond marin est approximativement de zéro degré

(faisceau suivant un axe zénithal). L’instant de détection du fond est ainsi assimilé au premier retour

de signal à l’intérieur du faisceau. Cependant, avec l’augmentation de l’angle d’incidence, le signal

retour perd sa forme bien caractéristique en pointe (pic d’intensité d’une très courte durée), et cette

méthode ne devient plus exploitable. Ainsi trois autres méthodes, prenant en compte la variation de

l’intensité des échantillons dans l’empreinte du faisceau, ont été déployées afin de palier à ce

problème.

- L’Instant d’Amplitude Maximale (IAM). Dans ce cas, la détection du fond est l’instant

correspondant au maximum du signal temporel reçu dans un faisceau sonore. Cette méthode

fonctionne bien si la forme de l’enveloppe de l’impulsion étalée est suffisamment régulière, il faut

donc que la structure du fond n’influe pas sur la forme d’enveloppe du signal reçu, donc que le fond

ou l’objet soit plat et régulier à l’échelle de l’empreinte du faisceau considéré. La Figure 68

présente un exemple de détection par amplitude suivant 3 directions différentes.

- La Direction d’Amplitude Maximal (DAM). L’estimation de l’angle correspond au

maximum d’énergie parmi un éventail de voies fermées à un instant donné comme illustrée sur la

Figure 67.

- Centre de gravité du signal réfléchi. Cette méthode consiste à déterminer l’instant

correspondant au centre de gravité du signal d’amplitude, soit le barycentre de l’enveloppe du

signal.

N.B. : L’énergie reçue définit la qualité de la détection du fond et l’exactitude de cette détermina-

tion est meilleure dans le cas où le signal est fort et bref.

ϴ0

ϴ0

A(t0)

ϴ

t0

Figure 67 Mesure DAM. A un instant t0 est détecté le niveau d'énergie

maximal donnant la direction d'arrivée ϴ0.



Figure 68 : Exemple de détection par amplitude sur des faisceaux dépointés d'un angle ϴ. Source : (Vincent, 2013)

La détection par différence de phase (Interférométrie):

Dans le cas où le faisceau a un angle d’incidence élevé avec la surface de réflexion, l’écho

renvoyé n’est plus fort ni bref, tout comme dans le cas où la surface du fond n’est pas plate.

L’enveloppe du signal s’étale et la méthode de détection par amplitude n’est plus appropriée. Par

conséquent, le procédé de détection par différence de phase est plus adapté.

Selon (Lurton, 2001), les systèmes de mesures bathymétriques peuvent employer 2 types de

détection basée sur la phase du signal reçu :

- La Direction de Différence de Phase (DDP). Cette méthode, largement employée par les

SONAR par interférométrie, consiste à mesurer la différence de phase entre deux transducteurs, à

un instant ‘t’ donné, afin de déterminer la direction angulaire du point de sonde. Cependant, bien

que cette méthode ait un avantage certain dans le cas de grand fond plat et sur une large fauché,

dans le cas de structures verticales elle fait l’objet d’une ambigüité de mesure sur la différence de

phase ne permettant donc pas de déterminer l’angle du trajet considéré par rapport à l’axe de

l’interféromètre. De plus, il est impossible de réaliser des mesures à la verticale, ou plus particuliè-

rement lorsque le signal émis est perpendiculaire à la surface du fond.

- L’Instant de Déphasage Nul (IDN). Souvent employé par les sondeurs multifaisceaux de

grands fonds, cette technique consiste à diviser l’antenne de réception en deux sous-antennes. Ainsi,

chacune d’entre elle forme une voie dans une direction prédéfinie permettant de mesurer la

différence de phase entre les deux sorties de voies. L’instant de déphasage nul sur la rampe de phase

correspond donc au centre le l’empreinte du faisceau comme présentée sur la Figure 69.



Ainsi, afin de déterminer le fond de manière la plus juste possible, une combinaison des deux

techniques (amplitude et phase) de mesures est nécessaire. Près du nadir, la détection par amplitude

doit être utilisée en raison du fait que les faisceaux sont de trop courtes durées pour permettre la

détection du passage à zéro de la rampe de phase. Lorsque les rayons sont dépointés de la verticale,

la détection de phase est plus appropriée ; cependant la détection par amplitude peut être utilisée

lorsqu’un plus fort retour de signal est causé par les différences de propriétés de réflectivité d’une

cible. Des explications plus approfondies des méthodes de détections des positions des points de

sonde sont développées par (Lurton, 2001)

Figure 69 : Exemple de détection par instant de déphasage nul. Source : (Vincent, 2013)



B. PROPAGATION DES ONDES ACOUSTIQUES DANS L’EAU ET CARACTÉRISTIQUES

PHYSIQUES Les ondes acoustiques, qu’elles soient sonores ou ultrasonores, possèdent une très bonne pénétra-

tion et propagation dans tous milieux élastiques ayant la capacité de vibrer lorsqu’ils sont soumis à

des variations de pressions. Ainsi la majorité des émetteurs et capteurs utilisés pour la détermination

de fond marin utilise des ondes acoustiques.

Cette partie consiste donc, en s’appuyant sur le Manuel de l’Hydrographie, à présenter les caracté-

ristiques physiques d’une onde acoustique et les éléments ayant une influence sur la propagation de

celle-ci.

Le champ acoustique

Les ondes acoustiques consistent en une variation du champ de pression dans l’eau. Les particules

d’eau se déplacent longitudinalement, d’avant en arrière, dans la direction de propagation de l’onde

acoustique, produisant des zones de compressions et d’expansions adjacentes.

L’intensité « I » d’une onde acoustique correspond à la quantité d’énergie transportée par unité de

surface perpendiculairement à la trajectoire de l’onde, à chaque seconde. Elle s’exprime de la

manière suivante :

( 8 )

Avec p la pression acoustique (Pa)

ρ la masse volumique de l’eau

c la vitesse du son dans l’eau

Cette intensité est calculée à partir d’une pression acoustique moyenne plutôt que des valeurs

instantanées. Du fait de leur large champ de variation, la pression acoustique et l’intensité sont

exprimées suivant un modèle logarithmique basé sur le niveau de pression et d’intensité, soit un

niveau d’intensité acoustique exprimé en décibels définit par la relation suivante :

( 9 )

avec I, l’intensité acoustique de la source

Iref, l’intensité acoustique de référence (10-12

W/m²)

L’équation du SONAR

L’équation du SONAR actif permet, selon (Guillé, 2008), d’évaluer le niveau d’émission (en

dB) en précisant les conditions dans lesquelles ont lieu les mesures et en définissant les réglages du

SONAR ainsi que les caractéristiques de la cible (soit l’index de cible, plus communément désigné

par « Target Strenght » en dB).

Le bruit ambiant gêne à la bonne réception du signal réfléchi. Ainsi les traitements d’antenne et les

algorithmes de traitement du signal (filtrage fréquentiel et spatial de tous les bruits environnants)

vont permettre de réduire l’influence de ce bruit.

Le SONAR actif va donc détecter une cible à partir du moment où l’écho de celle-ci est supérieur à

la somme des bruits de fond et du seuil de déclenchement de la détection (paramètre réglable en

modifiant la sensibilité de l’appareil).

Afin de mesurer un indice de rétrodiffusion précis, l’équation du SONAR actif, définit par (Nait-

Chabane, 2013) et basée sur les modèles mathématiques caractérisant le phénomène de rétrodiffu-



sion des ondes acoustiques brillamment détaillé par (Le Chenadec, 2004), permet d’établir un

processus de correction du signal sonore. Son équation est la suivante :

( 10 )

Avec : ER, Énergie du signal en fin de chaîne d’acquisition, soit le niveau de l’onde sonore émise

par le SONAR pendant une courte durée, selon une bande de fréquences donnée, et en modulation

de fréquence (FM) autour de la fréquence centrale de l’émetteur. Celle-ci est exprimée en dB NIS

(Niveau Isotrope Spectral)1.

NE, Niveau émis par le système dans la colonne d’eau.

PT, Pertes par propagation. Elles représentent l’affaiblissement du signal durant sa propaga-

tion dans le milieu sous-marin, du à la divergence géométrique (simplifiée en divergence sphérique

en grands fonds) et à l’absorption (atténuation volumique induite par la transformation d’une partie

du son en chaleur).

BS, Indice de rétrodiffusion du fond correspondant brièvement au rapport de l’énergie

renvoyé sur l’énergie incidente.

AI, Aire insonifiée.

SH, Sensibilité des antennes en réception, ou seuil de détection. Ce seuil dépend de la valeur

choisie pour les probabilités de détection et de fausses alarmes du système. Intervient aussi pour la

détermination de ce paramètre, la largeur de la bande de fréquences modulées émise et reçue, ainsi

que le temps d’intégration du récepteur.

GT, Gain de traitement de l’onde modulée en fréquence en fonction de sa durée d’émission.

Plus l’impulsion émise est longue, plus l’écho en retour durera, et plus le transducteur accumulera

de signal utile permettant de faire la différence avec le bruit ambiant.

FD, Fonction de directivité des antennes. En focalisant la réception du signal suivant une

direction donnée, on peut diminuer le niveau du bruit sonore et donc améliorer la qualité de

détection.

Cette équation (10) met donc en évidence les différents paramètres du SONAR, permettant la

formation d’une image intelligible :

Les paramètres intrinsèques au système, dont l’intégration permet de corriger les paramètres

internes du SONAR, soit sa fréquence d’émission, sa durée d’impulsion, son cycle d’émission, le

rendement de son antenne, etc. Ils sont définis dans l’équation (10) par (NE, AI, SH, GT, FD).

Les paramètres « extrinsèques » au système, dépendant du milieu de propagation et d’interaction.

Les termes (PT et BS) de l’équation (11) sont dus aux caractéristiques de l’environnement et des

fonds marins.

1 Le Niveau Isotrope Spectral représente la puissance de bruit observée sur un capteur omnidirectionnel dans une bande

de fréquence de 1Hz. Source : (Technologie générique de l'intervention sous-marine, 1990)



La température

Les variations de températures dans la colonne d’eau ont une influence sur la vitesse de propagation

des ondes acoustiques dans l’eau. En effet une variation de 1°C entraine approximativement une

diminution ou une augmentation de la vitesse de l’onde de 4,5m.s-1

.

La température est le paramètre le plus influent pour la détermination de la vitesse du son entre la

surface de l’eau et la limite inférieur de la thermocline, après laquelle la pression devient le

principal facteur.

La salinité

La salinité correspond à la quantité totale de sel et de minéraux dissoute dans l’eau en partie par

millier. En pratique, la salinité est déterminée en fonction de la quantité de chlore présent dans la

colonne d’eau, la conductivité électrique, l’indice de réfraction et plusieurs autres éléments ayant

une influence sur ce paramètre. Cependant, sa mesure a été simplifiée et peut être exprimée

uniquement en fonction de la chlorinité de l’eau par :

A noter qu’une variation de salinité de 1‰ entraine un changement de la vitesse de l’onde acous-

tique d’environ 1,3 m.s-1

La pression

La vitesse du son est notamment fortement influencée par les variations de pression. La pression est

fonction de la profondeur. On peut observer de manière approximative une variation de la vitesse du

son de 1,6 m.s-1

pour un changement de pression de 10atm (ce qui correspondant à 10.1325bars ou

encore à une hauteur d’eau de 100 mètres).

La densité

La densité de l’eau est dépendante de l’ensemble des paramètres énoncés précédemment. Cet

élément varie peut et ne dépend que de la compressibilité de l’eau en fonction de la profondeur. On

estime que la densité de 50% des eaux de mers et océans est d’environ 1027,8kg.m-3

.

La rétrodiffusion des ondes acoustiques

La rétrodiffusion est la capacité du fond à renvoyer l’énergie sonore dans la direction du système

émetteur. Suivant (Lurton, 1994), la rétrodiffusion d’une onde dépend de plusieurs éléments

composant les fonds marins :

- La réflexion spéculaire cohérente à la verticale. Cette composante a en réalité une faible

importance du fait du faible rapport longueur d’onde du signal sur hauteur de relief généralement

rencontré. Cependant celle-ci est notable dans le cas inverse, soit dans notre situation actuelle où

nous procédons à l’inspection de tunnels canaux ayant une faible profondeur sous eau, et aussi

lorsqu’on utilise des signaux sondeurs de basses fréquences sur des sédiments à faible rugosité.

- La rétrodiffusion par le micro-relief de l’interface aux incidences proches de la verticale.

Celle-ci diminue rapidement quand l’angle d’incidence du faisceau augmente, d’autant que la

variance des pentes du relief est faible. En figure 75 nous pouvons voir un exemple de réverbération

de fond, réalisé par Gilles LE CHENADEC et Xavier LURTON, synthétisant le modèle de

Brekhovskikh et Lysanov pour différents types de fonds.



- La rétrodiffusion par les inhomogénéités du sédiment traversé par l’onde acoustique. Cette

composante ne dépend que peu de l’angle d’incidence.

Ainsi, de manière plus global, l’indice de rétrodiffusion d’une onde par le fond décroit très rapide-

ment depuis de faibles angles d’incidences avant de se stabiliser au-delà d’environ 20°.

Ce comportement résulte à la fois de la dépendance angulaire de l’indice de rétrodiffusion, et de

l’effet géométrique de la surface de fond localement insonifiée, aussi limité par l’ouverture de

l’échosondeur utilisé, qu’il soit monofaisceau ou multifaisceaux.

Pertes d’énergie d’une onde acoustique

Une onde acoustique perd en énergie en fonction de son avancement dans le milieu dans

lequel elle se propage. Dans un environnement aqueux, la perte d’énergie d’une onde acoustique est

essentiellement due à deux principes énoncés par (Nait-Chabane, 2013) : la divergence sphérique et

l’absorption.

Pertes par divergence sphérique :

Une onde acoustique, depuis son émission en sorti de transducteur, se propage sur une surface de

plus en plus large, entrainant ainsi une diminution de l’intensité du signal proportionnelle à cette

surface. Cette décroissance de l’intensité du signal entre 2 points correspond à l’inverse du rapport

des surfaces des deux sphères en question:

Avec R1 et R2 les rayons des sphères par rapport à l’origine de l’émission du faisceau.

Pertes par absorption :

L’affaiblissement du niveau du signal est dans ce cas le résultat de réactions chimiques. Une partie

de l’énergie acoustique du signal se transforme en énergie thermique par dissipation, du fait des

frottements de l’eau de mer avec l’onde acoustique. Cette perte peut être exprimée par :

Avec : αw le coefficient d’absorption (en dB/km). Ce coefficient dépend de la température, de la

salinité, de la pression et de la fréquence de l’onde émise.

R(t), la distance (en km) parcourue par l’onde acoustique jusqu’au point considéré.

Plus de précision au sujet de ces pertes d’énergie sont présentées dans (Lurton, 2010)

Figure 70 Exemple d'indice de rétrodiffusion

calculé par les modèles de Brekhovskikh et

Lysanov. Source : (Le Chenadec, 2004)

( 11 )

( 12 )



C. INSTRUMENTATIONS COMPLÉMENTAIRES

Dans cette partie, et à partir des informations fournies par le manuel de l’hydrographie (2005), sont

présentés les appareillages nécessaires pour la détermination des propriétés physiques de l’eau

(généralement celles des mers et océans) ayant une influence certaine sur la propagation des ondes

acoustiques ainsi que leur principe de fonctionnement.

Le Célérimètre

Le célérimètre est l’instrument le plus utilisé pour établir le profil de la vitesse du son dans

la colonne d’eau à l’instant de la mesure. Cet appareil possède un capteur de pression ainsi qu’un

transducteur et un réflecteur afin de mesurer une certaine profondeur. La vitesse du son est calculée

à partir de son temps de vol, soit le temps mis pour réaliser le trajet aller-retour entre le capteur et le

fond marin (mesure similaire à celle effectuée par un écho sondeur)

Le Thermistance

Il s’agit d’un capteur dont la résistance électrique varie en fonction de la température, soit de

la quantité de rayonnement thermique, ou flux de chaleur provenant de l’eau. Des chaînes de

thermistances sont déployées pour mesurer la température de l’eau à différentes profondeurs dans la

colonne d’eau. Ces chaînes consistent en un ensemble de capteurs régulièrement espacés le long du

câble. Un enregistreur de données échantillonne chaque mesure de manière séquentielle et enre-

gistre la température en fonction du temps.

La sonde CTD (Conductivity, Temperature, Depth)

Ce type de sonde mesure à la fois la profondeur, la température, la salinité et la turbidité de

l’eau. Cet instrument enregistre la salinité de l’eau en mesurant directement sa conductivité

électrique. La vitesse du son varie en fonction de l’élasticité et la densité du milieu dans lequel il se

trouve, paramètre dépendant de la salinité, de la température et de la pression. Ainsi l’emploi d’un

tel système, va permettre d’établir un profil des différentes propriétés physiques de l’eau en

fonction de la profondeur, et avec un pas d’échantillonnage de quelques centimètres. Avec ces

différentes informations, il devient donc possible, en utilisant l’équation de Coppens1, de déterminer

la vitesse dans l’eau à différente profondeur :

( 13 )

Où T : la température en degré Celsius (°C)

S : la salinité en parties par millier

Z : la profondeur en kilomètre

φ : la latitude du point de sonde

1 Coppens, Simple equations for the speed of sound in Neptunian waters (1981) J. Acoust. Soc. Am. 69(3), pp 862-863



D. CONTENU DU FICHIER CSV DU SONAR

Ce format de fichier exporte un type de données par ligne où le premier élément de la ligne

correspond à l’intitulé du type de données qui suit sur cette même ligne.

On peut retrouver 6 types de données (messages) différentes selon la configuration effectuée lors de

l’export du fichier :

- Depth Data : Correspond à la mesure approximative de la hauteur du SONAR par rapport

au fond.

- Heading Data : Définit le cap suivi par le SONAR.

- Position Data : Donne des informations sur la position XYZ de l’embarcation à partir d’un

récepteur GPS décodant les trames GLL, GSA, GSV, HDG, RMC et VTG d’un message au format

NMEA 0183

- Sidescan Data : Correspond aux données du SONAR latéral captées par le transducteur

tribord ou bâbord.

- Velocity Data : Donne la vitesse de déplacement de l’embarcation et donc du SONAR à

partir des informations captées par l’antenne GPS.

- Waveform Data : Ces données sont utilisées pour procéder au débogage et à l’analyse des

données de forme d’onde enregistrées par le SONAR.

Pour décoder les informations relatives à ces messages, on peut utiliser le tableau suivant :

Depth Data

N° de champ Description Informations

1 Chaîne de caractère « DPT »

Caractère identifiant le type de

données sur le reste de la ligne,

ici la profondeur

2 Horodatage

Heure et date à laquelle le

message à été écrit dans le log-

file.

3 Profondeur Profondeur sous SONAR

approximative en mètre.

Heading Data


1 Chaîne de caractère « HDG »



ici le cap

2 Horodatage



file.

3 Cap Cap vrai en degrés

Position Data


1 Chaîne de caractère « POS »



ici la position

2 Horodatage



file.

3 Latitude

Latitude en degré décimale.

Une valeur positive représente

le Nord



4 Longitude

Longitude en degré décimale.

Une valeur positive représente

l’Est

5 Zone Identifiant de la zone UTM

6 Nord La valeur UTM Nord en mètre

7 Est La valeur UTM Est en mètre

8 Altitude Altitude de la position en

mètre

Sidescan Data


1 Chaîne de caractère « SSS »



ici l’imagerie SONAR

2 Horodatage



file.

3 Chaîne de caractère « P »

Caractère renseignant que les

données suivantes sur la ligne

provienne du canal bâbord.

4 Contraste

La valeur de contraste

enregistrée en décibels pour la

ligne de scan correspondante

5 Offset

La valeur de l’offset en

décibels enregistrée pour la

ligne de scan correspondante

6 Gain

La valeur de Gain enregistrée

en décibels pour la ligne de

scan correspondante

7 Portée La largeur de fauchée en mètre

que représente la ligne de scan

8 Echantillons

Nombre d’échantillons dans la

ligne de scan correspondante.

La résolution en distance de

chaque ensemble de données

peut être calculée en divisant la

portée (7) par le nombre

d’échantillon

9 Mesures

Une suite de valeur représen-

tant la valeur en raw décibels

de chacun des échantillons de

la ligne de scan au niveau des

récepteurs

9 + (n+1) Chaîne de caractère « S »

Caractère renseignant que les

données suivantes sur la ligne

provienne du canal tribord.

La structure précédente (de 4 à

9) est à nouveau répétée pour

ce canal.

Velocity Data


1 Chaîne de caractère « VEL » Caractère identifiant le type de




ici la vélocité

2 Horodatage



file.

3 Vélocité La vitesse en km.h-1

Waveform Data


1 Chaîne de caractère « CPL »



ici la profondeur

2 Horodatage



file.

3 Couleur de la trace

Couleur de la forme de l’onde

exprimer comme un entier

ARGB 32bits.

(0x<aa><rr><gg><bb>), <aa>

est le composant alpha, et <rr>

<gg> <bb> les composantes

rouge, vert et bleu.

4 Période d’échantillonnage Le timer en seconde de chaque

échantillon

5 Y max La valeur maximum présentée

sur l’axe Y

6 Y min La valeur minimum présentée

sur l’axe Y

7 Titre Le titre de la forme d’onde

8 Échantillons Le nombre d’échantillons

mesurés

9 Mesures

Une série de mesures représen-

tant l’amplitude de chaque

échantillon dans la forme

d’onde.



E. ANALYSE DES FICHIER DE SYNCHRONISATION ME0 DES CAMÉRAS

Expérimentation 1, Niderviller

Les graphiques représentent la différence de temps entre 2 photos successives d’une caméra et la différence sur l’horodatage des mesures entre 2 caméras d’une paire. Ces résultats sont disposés de la façon suivante :

Différence de temps entre 2 caméras Marlin Différence de temps entre 2 caméras Pike

Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Marlin Droite

Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Gauche Différence de temps entre 2 mesures successives de la caméra Pike Droite

N.B. : Les points rouges représentent une erreur dans les mesures d’horodatages.









Les résultats de l’expérimentation 9 ne seront pas présentés car un problème lors de l’enregistrement des images était survenu.



Expérimentation 1, Petite France








F. ANALYSE DES DONNÉES TACHÉOMÉTRIQUES


Les calculs d’emq et de MAD ne

prennent en compte que les

points en bleus sans les outliers

en rouges. Ces outliers représen-

tent des valeurs supérieures à

±10% de la vitesse médiane

glissante sur 11points.

On remarque que la différence de

temps entre 2 mesures succes-

sives n’est pas constante. Les

données en bleues représentent

un « dt » compris entre 0.35s et

0.45s soit inférieur à ±12.5% de

la valeur paramétrée (0.4s)

On observe une meilleure

détermination de la vitesse du

mobile en prenant la médiane

(410ms) comme base de temps

pour le calcul. Les quelques

valeurs aberrantes seraient liées à

un défaut mécanique explicité en

5.1.2

Zoom sur les 300

premières mesures




Zoom sur les 300

premières mesures



Expérimentation 1, Passage Aller - Petite France

Les calculs d’emq et de MAD ne

prennent en compte que les

points en bleus sans les ‘outliers’

en rouges. Ces ‘outliers’

représentent des valeurs supé-

rieures à ±5% de la vitesse

médiane glissante sur 11points.

On remarque que la différence de

temps entre 2 mesures succes-

sives n’est pas constante. Les

données en bleues représentent

un « dt » compris entre 0.08s et

0.12s soit inférieur à ±20% de la

valeur paramétrée (0.100s)

On observe une meilleure

détermination de la vitesse du

mobile en prenant la médiane

(100ms) comme base de temps

pour le calcul. Les quelques

valeurs aberrantes seraient liées à

un défaut mécanique explicité en

5.1.2

Zoom sur les 100

premières mesures



Expérimentation 1, Passage Retour – Petite France

Zoom sur les 100

premières mesures



Expérimentation 2, Passage Aller – Petite France

Zoom sur les 100

premières mesures




Zoom sur les 100

premières mesures



Expérimentation 3, Passage Aller – Petite France

Zoom sur les 100

premières mesures




Zoom sur les 100

premières mesures



G. ANALYSE DES RÉSULTATS DE L’OVS


Nous observons une bonne corrélation entre la profondeur du système par rapport au piédroit déterminée par OVS et les variations planimétrique du bateau déterminées par tachéométrie. A noter que les faibles décalages

observés entre les 2 trajectoires sont liés au fait que les caméras (définissant la trajectoire OVS) et le prisme (définissant la trajectoire tachéo) ne se trouvent pas au même endroit sur le bateau.

Nous remarquons cependant une différence importante sur le profil de vitesse déterminé à partir des 2 techniques. Dans un premier temps on observe un systématisme d’environ 2.5cm.s-1

sur les données de l’odométrie,

dans un second temps l’amplitude des variations de vitesses sont beaucoup plus importantes par OVS que par tachéométrie. A noter que les caméras et le prisme sont approximativement décalés de 8 mètres sur le bateau,

ainsi la vitesse déterminée par tachéométrie est décalé de +8m en abscisse curviligne afin de corréler avec la vitesse par odométrie.




Lors de cette expérimentation le bateau longeait la lisse en bois en marche arrière tout au long de son avancement dans le tunnel. Ce passage permet de stabiliser le bateau et surtout d’éviter les effets liés aux changements

de cap de celui-ci. Ainsi nous obtenons de meilleurs résultats sur la détermination de la vitesse par odométrie. Cependant les trajectoires déterminées à partir des 2 techniques corrèlent moins bien et pourraient être liées aux

variations planimétriques du piédroit influençant les résultats de l’odométrie. Cependant une coupe sur le nuage de points lasergrammétrique, dont les résultats sont présentés en Annexe H Analyse coupe du tunnel, nous

montre que ces écarts sont essentiellement liés aux méthodes de calculs de l’OVS, et serait plus particulièrement la conséquence d’une sous-estimation de la disparité stéréoscopique liée aux changements de cap du mobile.



H. ANALYSE COUPE DU TUNNEL

Variations planimétriques du piédroit

Afin de savoir si les variations planimétriques du piédroit on une influence sur les résultats de l’OVS, une première coupe a été réalisé à hauteur des catadioptres (z=268.036m) dans le tunnel de Niderviller. Le

nuage de points lasergrammétrique ne présentant aucunes données au milieu du tunnel, nous ne pouvons avoir des informations sur les variations planimétriques du mur uniquement qu’en entrée et sortie de tunnel. On

remarque de faibles variations de ±5cm.

médiane

médiane



Une seconde coupe a été réalisé à hauteur des plaquettes (z=268.606m) dans le tunnel de Niderviller. Le nuage de points lasergrammétrique ne présentant aucunes données au milieu du tunnel, nous ne pouvons avoir des

informations sur les variations planimétriques du mur uniquement qu’en entrée et sortie de tunnel. On remarque à nouveau de faibles variations de ±5cm quasiment identiques à la première coupe.

médiane

médiane



Comparaison des variations planimétriques du piédroit et du dispositif

Nous avons ensuite mis en relation les variations planimétriques du mur et les trajectoires déterminées par odométrie visuelle simplifiée des expérimentations 2 à 8 afin d’observer une possible corrélation entre l’OVS et la

forme du piédroit. Les faibles variations du mur ne justifient cependant pas les écarts observés dans les résultats de l’OVS.



Effet d’une corniche sur la trajectoire par odométrie



I. MISE EN RELATION ENTRE DONNÉES SONAR ET DONNÉES PHOTOGRAMMÉTRIQUES

A ce niveau du développement il est difficile d’établir un lien entre les informations obtenues à l’aide du système de prise de vue et les mesures du SONAR à balayage latéral, rendant quasiment impossible le géoréfé-

rencement des images SONAR. Cependant, certains objets bien particuliers, visibles à la fois sur les photographies des paires de caméras et sur les images SONAR, permettent d’avoir un premier élément d’approche quant au

positionnement des données du SONAR par rapport aux données photogrammétriques. Ainsi nous pouvons déjà connaître approximativement la position de certains objets visualisables sur les images SONAR comme illustré

sur les exemples suivant.

Image SONAR du Bras mort de l’Ill

Nuage de points photogrammétrique

Photographie

panoramique

Sous-bassement

pile de pont

Corniche



J. LISTE DE CONTACTS

Contacts particuliers

Société Prénom, Nom Fonction Téléphone @mail Commentaire

CADDEN Yves Tafforin Support technique 06.62.47.66.82 02.51.82.44.55

Contact particulier de la société Sub-C Marine

Eurocéanique Philippe Goarant Reponsable hydrographique 06.27.39.24.16 04.42.39.49.85

[email protected] Offre d’achat Sonar interférométrique (imagerie + bathymétrie) Edge

Tech 4600 à 86000€

Acthyd / Geoaction Thomas Longchamp Ingénieur des ventes 06.50.80.69.77 [email protected] Représentant des instruments Teledyne (Odom)

Acthyd (Technitrad)

Pierre-Arnaud Duclos Dr en Géosciences Marines 01.64.55.80.45 06.08.85.60.89

[email protected] Acthyd, distributeur de produits, et intégrateurs de solutions techniques

en hydrographie et positionnement.

CIDCO Nicolas Seube Directeur scientifique du CIDCO

[email protected]

Sub-C Marine Olivier Samat Développeur en technique d’inspection sous marine

06.18.90.35.46 04.72.89.03.88

[email protected] Société spécialisée dans l’inspection d’infrastructures subaquatiques. Ils sont intéressés à travailler avec nous, leurs axes de développement

étant similaire.

Triton Imaging Inc. Tony Ramirez Géophysicien / ventes tech-

niques +1-831-722-7373 [email protected]

Créateur et distributeur de logiciel d’acquisition et de traitement de données bathymétriques. (USA)

CEREMA Anne Souquiere Chef de département DTecEMF [email protected]

CEREMA Erwan Bourban Responsable de l’équipe

Bathymétrie 02.54.55.48.71 [email protected]

CNR Céline Khantache Représentante du pôle hydrographie du CNR

[email protected]

ENSTA Bretagne Ahmed NAIT-

CHABANE PhD, Ingénieur de recherche Lab-STICC UMR CNRS 6285

+33.2.98.34.87.12 [email protected] Ingénieur au sein de l’équipe « Ocean Sensing and Mapping »

A travaillé sur la segmentation invariante en rasance des images sonar latéral par une approche neuronal compétitive.

Contacts VNF

Prénom - Nom Téléphone - @mail Statut

Alexis Voulminot Port. pro. : 06.84.82.52.14 [email protected]

Représentant Pôle Bathymétrie, plateforme de communication entre VNF et le LRPC

Laurent Reibel 06.20.96.62.35

[email protected] Contact pour l’embarcation « VNF – Gambsheim 1 »

Denis Hirschfell 03.88.45.50.22

[email protected] Adjoint à la subdivision Strasbourg - canaux

Jean-Philippe Harlepp 03.88.31.63.25

Port. : 06.13.54.06.28 [email protected]

Chef de circonscription du Wacken

Pascal Froehlicher 03.87.03.62.91

[email protected] Contact pour l’embarcation « Val de Sarre »

Bernard Catala-Cottini 04.67.82.36.17

[email protected] Subdivision VNF de Frontignan, Pointe de caramus, BP 90071, 34111

Frontignan cedex.

Hugues Delefortrie

04.67.82.36.17 06.73.40.89.35

[email protected]

Subdivision VNF de Frontignan, Pointe de caramus, BP 90071, 34111 Frontignan cedex.

Centre d’exploitation VNF de Palavas 04.67.68.00.32 Pôle bathymétrie avec système multifaisceaux sur le « bourgidou »

mailto:[email protected]






Listes de Prestataires pour intégration et acquisition de données bathymétrique, hydrographique.

Atlas 3D (Ecartip)

60, rue de Palverne RN 83 - ZAC Rosarge

Les Echets 01700 Miribel

Tél. +33 (0)4 78 22 34 72 +33(0)4 72 42 94 13 [email protected]

Multifaisceaux

Société d’ingénierie dans la lasergrammétrie, réalisant

notamment des levés scanner laser et bathymétrique couplés.

Acthyd (Subtop)

ZA les Belles Vues 3 rue des Prés 91290 Arpajon

01 64 55 80 40

Contact particulier : Thomas Longchamp

06 50 80 69 77 [email protected]

Marcel Tardivon

01 69 91 43 43 [email protected]

Software Hypack Système

multifaisceaux low cost : Teledyne MB1

Expert en géophysique marine, distributeur de produits et

intégrateur de solutions techniques.

Prime GPS

8 rue Gustave Eiffel 44980 Sainte-Luce-sur-Loire

02 40 57 37 20

Contact particulier : [email protected] [email protected]

SMF Teledyne Reson

Distributeur et loueur de matériels hydrographiques et de positionne-

ments.

Iota Survey

26 avenue de l'Europe 34830 Clapiers – France

33 (0)4 99 13 70 50

[email protected]

Multibeam Teledyne RESON 7125

Inspection de structure portuaire et offshore.

Veodis-3D

3 Place du Four Lieu dit Pruns 63260 - Bussières et Pruns France

33 (0)4 73 44 56 35

[email protected]

SMF Acquisition de données 3D par

lasergrammétrie et bathymétrie.

CERES

29 La Madeleine 50760 Montfarville

France 0233540711

[email protected]

SMF Travaux sous-marins d’inspection de digues, de coques et d'ouvrages

d’art.

Société Coordonnées Matériel Statut

Cadden

359, Route de sainte Luce Parc du petit Chatelier

BP 30171 44 301 Nantes Cedex 3

Tél : +33 (0)251 824 646

Caméra 3D : Echoscope

SMF : R2Sonic 2024 Sonar bathy : Klein

5000V2

Fournisseur de capteurs et systèmes pour le positionnement, l'orientation,

l'océanographie et la navigation.

Sub-C Marine

18 rue Alfred NOBEL – BP – 69320 Feyzin

04.72.89.03.88 Olivier SAMAT

[email protected] 06.18.90.35.46

Caméra 2D : Didson diver, Aris Sentinel

Scanner 3D : BV5000 Caméra 3D : Echoscope

Spécialisé dans l’inspection subaqua-tique de barrages et ouvrages d’art.

MacArtney France

Avenue Olivier PERROY Les Portes de Rousset - Bât. E

F-13790 ROUSSET Tel: +33 (0) 442 394 985 [email protected]

Sonar Scanner 2D : Kongbserg 1071,

1171

Sonar interféromé-trique (Edge Tech

4600)

Conception, fabrication, distribution et maintenance de systèmes et produits à destination des énergies renouvelables

marines, de l’offshore pétrolier, des opérateurs de survey, des scientifiques

et de la Marine.

INGEO

Siège social à Saint-Omer 1, rue Cassini

BP 60 117 - Blendecques 62502 SAINT-OMER Cedex

Tél : 03.21.38.15.21 [email protected]

SMF : R2Sonic

Société d’ingénierie et de géomètre expert.

Réalise des prestations pour l’acquisition de données bathymé-

trique.

Mesuris

Mesuris Rennes EDONIA B

Rue des Iles Kerguelen 35760 St GREGOIRE - France

Tel : +33 2 99 23 42 01

Base technique Mesuris bathymétrie 37 rue de l’Océan Multipole 56

56470 St Philibert - France Tel : +33 2 97 30 01 55

SMF : Teldyne Reson

Prestation de service et intégration de système bathymétrique.

Développement du GEOSUB3D

disponible depuis 2013, système de cartographie sub-surface de très haute

résolution.

Adequatic 2 rue de la Communauté P.A. de la forêt

44140 le Bignon 02.53.55.08.47

Monofaisceau et Multifaisceaux

Prestations de services, bathymétrie, topographie.

Hydroconsult

29 rue de Bir Hakeim 94100 Saint Maur des Fossés

Manager [email protected]

+33 (0)6 87 97 63 52 Survey Manager

[email protected] +33 (0)6 84 73 89 81

SMF : Simrad, Elac, Teledyne Reson

Services de prestations techniques. Aide au choix, à la mise en place et à

l’exploitation d’un premier équipement de mesure bathymétrique.

Hydro exploitation

Rue des Creusets 41, CP 750 – CH 1951 Sion

(Suisse) +41.(0).27.328.44.12

Multifaisceaux Prestations de services dans

l’aménagement hydroélectrique.

Subsea Tech

167 Plage de l’Estaque 13016 Marseille

04.91.51.76.71

Scanner 3D : BlueView

Consultant en ingénierie sous marine













K. POINTS TOPOGRAPHIQUES PETITE FRANCE

Listing de coordonnées en Lambert RGF 93 CC49

N° X Y Z

5000 2049529.986 8164223.626 139.812

4000 2049440.307 8164231.353 142.124

3000 2049524.596 8164300.029 139.543

2000 2049622.614 8164282.657 139.873

1000 2049598.990 8164331.714 139.844



L. POINTS DE DÉTAILS PETITE FRANCE

Levé le 11 Juin 2014

Par Mathieu KOEHL et Samuel GUILLEMIN (INSA Strasbourg)

Traité par Bastien CHAMPIER

Listing de coordonnées en Lambert RGF 93 CC49

N° X Y Z

1 2049548.553 8164311.263 138.804

2 2049526.740 8164300.073 138.840

3 2049498.206 8164283.883 138.880

4 2049460.400 8164253.833 139.465

5 2049585.119 8164307.658 139.470

6 2049555.819 8164291.544 138.821

7 2049533.357 8164278.955 138.123

8 2049519.771 8164271.029 139.387

9 2049502.786 8164262.351 139.340

10 2049487.704 8164251.113 139.364



M. POINTS DE DÉTAILS TUNNEL DE NIDERVILLER

L’ensemble des points a été levé à partir de 2 stations : une sur le point Tunnel.N1 et la seconde sur le point Tunnel.A1

Les points P25 et P25.1 sont des points de contrôles mesurés à partir des 2 stations.

Les mesures ont fait l’objet de plusieurs contrôles et calculs de précision. En ce qui concerne les points levés sur les plaquettes, nous avons contrôlé la distance entre les deux points mesurés sur chaque plaquette. Les résultats

présentent ainsi un écart moyen quadratique de 0.22cm avec un maximum de 5mm. Pour ce qui est des points levés sur les cibles photomodeler, nous avons contrôlé la distance entre les 2 cibles 8 bits opposées. Nous

obtenons dans ce cas un écart moyen quadratique de 1.38cm avec un maximum de 2.1cm, écart plus important lié à l’instabilité et la non-rigidité de ces cibles.

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

ID point

Coordonnées (m)

Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69 Lambert 93 IGN69

X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z

A2 952710,802 124958,375 267,685 CT10 952410,468 124713,194 268,152 CT18 952473,371 124762,487 268,162 P24 952528,415 124805,674 268,995 P30,1 952575,755 124842,772 268,99 C11 952629,055 124884,677 269,403 C14,1 952673,864 124920,026 269,777

REFN 952279,893 124614,818 267,65 P10 952418,238 124719,408 268,977 C1 952474,782 124763,895 269,349 P24,1 952528,55 124805,788 268,995 CT31 952575,685 124842,677 268,137 C11,1 952628,964 124884,818 269,765 P43 952677,925 124922,808 268,988

N1 952338,214 124657,365 267,497 P10,1 952418,376 124719,519 268,976 C1,1 952474,701 124764,036 269,725 C5 952531,867 124808,566 269,454 P31 952583,496 124848,839 269 P37 952630,778 124885,855 269,013 P43,1 952678,064 124922,916 268,98

A1 952717,332 124954,235 267,482 CT11 952418,362 124719,366 268,158 P18 952481,156 124768,708 269,023 C5,1 952531,73 124808,713 269,821 P31,1 952583,633 124848,957 268,997 P37,1 952630,921 124885,964 269,013 CT44 952678,028 124922,752 268,166

REFA 952758,331 124992,487 268,01 P11 952426,043 124725,528 268,982 P18,1 952481,297 124768,811 269,023 P25 952536,214 124811,875 268,959 C8 952589,132 124853,477 269,391 CT38 952630,89 124885,776 268,152 P44 952685,835 124928,973 269,012

1000 952335,049 124664,231 268,104 P11,1 952426,177 124725,646 268,982 CT19 952481,271 124768,664 268,14 P25,1 952536,368 124811,965 268,987 C8,1 952589,035 124853,615 269,762 P38 952638,624 124892,04 268,996 P44,1 952685,98 124929,079 269,004

1001 952339,927 124657,982 268,675 CT12 952426,169 124725,491 268,162 C2 952487,458 124773,79 269,356 CT26 952536,348 124811,834 268,162 P32 952591,434 124855,045 268,952 P38,1 952638,763 124892,154 268,997 CT45 952685,954 124928,893 268,154

CT1 952339,978 124658,014 268,118 P12 952433,926 124731,716 268,962 C2,1 952487,352 124773,911 269,737 2000 952709,185 124957,278 268,074 P32,1 952591,58 124855,155 268,952 CT39 952638,77 124891,957 268,172 C15 952688,787 124931,465 269,406

P1 952347,503 124664,021 268,988 P12,1 952434,075 124731,813 268,962 P19 952488,991 124774,849 268,993 2001 952714,163 124951,003 268,083 CT33 952591,547 124855,02 268,161 C12 952643,378 124895,94 269,405 C15,1 952688,679 124931,579 269,789

P1,1 952347,642 124664,133 268,991 CT13 952434,053 124731,67 268,154 P19,1 952489,137 124774,948 268,987 P25 952536,239 124811,855 268,989 P33 952599,314 124861,191 269,006 C12,1 952643,277 124896,079 269,778 P45 952693,703 124935,126 268,972

CT2 952347,62 124663,967 268,171 P13 952441,782 124737,868 268,984 CT20 952489,113 124774,811 268,164 P25,1 952536,371 124811,977 268,986 P33,1 952599,454 124861,301 269,006 P39 952646,526 124898,165 269,005 P45,1 952693,843 124935,236 268,965

CT3 952355,484 124670,117 268,18 P13,1 952441,927 124737,968 268,978 CT21 952496,948 124781,017 268,155 P26 952544,115 124817,994 268,97 CT34 952599,415 124861,147 268,142 P39,1 952646,669 124898,278 269 CT46 952693,823 124935,052 268,155

P3 952363,254 124676,343 268,995 CT14 952441,9 124737,819 268,147 C3 952503,227 124786,146 269,366 P26,1 952544,258 124818,102 268,97 C9 952603,458 124864,649 269,405 CT40 952646,653 124898,074 268,166 C16 952699,913 124940,462 269,506

P3,1 952363,397 124676,454 268,995 P14 952449,669 124744,005 268,982 C3,1 952503,11 124786,272 269,741 CT27 952544,245 124817,956 268,136 C9,1 952603,367 124864,789 269,769 P40 952654,335 124904,307 268,987 C16,1 952699,885 124940,471 269,809

CT4 952363,358 124676,274 268,169 P14,1 952449,818 124744,1 268,975 P21 952504,78 124787,206 268,991 C6 952546,126 124819,806 269,443 P34 952607,132 124867,329 268,984 P40,1 952654,472 124904,419 268,982 P46 952701,522 124941,333 269,091

CT5 952371,22 124682,45 268,184 CT15 952449,783 124743,961 268,154 P21,1 952504,924 124787,314 268,994 C6,1 952546,031 124819,932 269,809 P34,1 952607,28 124867,435 268,981 CT41 952654,476 124904,243 268,16 P46,1 952701,662 124941,445 269,083

CT6 952379,067 124688,58 268,152 P15 952457,559 124750,135 268,967 CT22 952504,886 124787,171 268,165 P28 952559,868 124830,361 268,992 CT35 952607,254 124867,26 268,166 C13 952659,106 124908,192 269,379 CT47 952701,663 124941,243 268,18

CT7 952386,837 124694,701 268,158 P15,1 952457,697 124750,245 268,972 P22 952512,665 124793,362 268,98 P28,1 952560,011 124830,469 268,985 P35 952614,953 124873,486 268,987 C13,1 952658,999 124908,328 269,745 P47 952709,46 124947,527 268,986

P7 952394,6 124700,961 268,999 CT16 952457,638 124750,145 268,141 P22,1 952512,799 124793,48 268,99 CT29 952559,949 124830,284 268,158 P35,1 952615,096 124873,591 268,979 P41 952662,226 124910,478 268,981 P47,1 952709,6 124947,638 268,981

P7,1 952394,742 124701,067 268,999 P16 952465,331 124756,366 269,149 CT23 952512,728 124793,336 268,177 P29 952567,82 124836,59 268,988 CT36 952615,113 124873,417 268,168 P41,1 952662,361 124910,588 268,973 CT48 952709,57 124947,456 268,158

CT8 952394,743 124700,897 268,168 P16,1 952465,478 124756,47 269,139 C4 952517,935 124797,629 269,365 P29,1 952567,972 124836,69 268,988 C10 952616,618 124874,946 269,342 CT42 952662,329 124910,42 268,151 CT49 952713,964 124950,919 268,186

CT9 952402,599 124707,071 268,153 CT17 952465,454 124756,269 268,169 C4,1 952517,795 124797,775 269,745 C7 952573,819 124841,456 269,411 C10,1 952616,523 124875,074 269,711 P42 952670,07 124916,655 269,029

P9 952410,328 124713,244 268,986 P17 952473,26 124762,524 268,993 P23 952520,521 124799,505 268,974 C7,1 952573,719 124841,593 269,778 P36 952622,908 124879,689 269,004 P42,1 952670,207 124916,769 269,019

P9,1 952410,47 124713,353 268,98 P17,1 952473,403 124762,628 268,99 P23,1 952520,665 124799,612 268,974 P30 952575,612 124842,663 268,99 P36,1 952623,055 124879,8 269,004 C14 952673,982 124919,872 269,419

La numérotation des points se fait de la manière suivante :



N. PRINCIPE DE L’OVS AUTOMATIQUE

L’odométrie visuelle simplifiée est une technique permettant de déterminer les positions

successives du dispositif d’acquisition à partir des images enregistrées à intervalle de temps

régulier. Les études menées par Chavant en 2013 ont montré que la meilleure technique

d’odométrie visuelle simplifiée est celle automatisée et basée sur des principes de stéréovision. Il

faut cependant procéder, en amont, au calibrage du dispositif stéréoscopique et à la rectification des

distorsions géométriques des images.

Une fois ces premiers traitements réalisés, nous pouvons procéder aux calculs d’OVS automatisée

fonctionnant de la manière suivante :

En considérant que les caméras évoluent parallèlement au piédroit, on peut dans un premier temps

définir la profondeur Z comme étant inversement proportionnelle à la disparité stéréoscopique ds,

correspondant au déplacement apparent entre deux images d’une même scène :

Avec : β, facteur d’échelle correspondant au rapport de la focale sur la taille du pixel :

bs, la base stéréo correspondant à la distance séparant les 2 caméras du couple stéréscopique

Ensuite, en se basant sur une paire d’images successives prises par une unique caméra, on peut

définir une nouvelle configuration stéréoscopique et faire l’approche suivante :

Avec : bM, ligne de base fictive, soit le déplacement inconnu de la caméra entre les deux images

dM, la disparité de mouvement, c'est-à-dire le déplacement du système entre deux images

successives.

En considérant maintenant que la distance séparant le système du piédroit est constante (soit que

Z=cte) entre chaque prise de vue, on a :

De ce fait, le mouvement du dispositif stéréoscopique peut être déterminé à l’aide du déplacement

pixellaire entre les images droites et gauches du couple stéréoscopique et le déplacement pixellaire

entre 2 images successives d’une unique caméra.

Les disparités de mouvements dM et les disparités stéréo ds sont calculées en employant une

corrélation de phase comme expliqué dans (Szeliski, 2011).

( 14 )

( 15 )

( 16 )

Bathymétrie en l'absence de signal GPS : application aux canaux ...

Documents

Transcript of Bathymétrie en l'absence de signal GPS : application aux canaux ...