Soutenance mémoire
Observer, mesurer, comprendre son environnement suscite toujours l’intérêt de l’homme. Cette soif de « tout comprendre » a mené à l’invention d’un grand nombre d’instruments de détection et de localisation. C’est ainsi que le LIDAR ou LIght Detection And Ranging un procédé optique de détection sans contact est né. Le lidar est l’équivalent optique du RADAR ou RAdio Detection And Ranging, et on le désigne sous le nom de radar optique. Si la méthode optique était auparavant réservée à l’étude des astres et des corps stellaires très éloignés, le radar et le SONAR ou SOund Navigation And Ranging étaient les outils de télédétections terrestres et aquatiques les plus utilisés. De nos jours, grâce aux nouvelles technologies lasers et à l’amélioration technologique des photorécepteurs, les lidars sont dorénavant utilisés dans presque tous les domaines scientifiques de détection. Et c’est dans cette optique que le présent mémoire intitulé « EXPLOITATION DE LA TECHNOLOGIE LIDAR POUR LA SECURITE DU TRANSPORT MARITIME » a vu sa genèse.
GENERALITE SUR LES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
EVOLUTION DES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
En 1826, l’ingénieur et physicien suisse J. D. COLLADONE et le mathématicien C.F. STURM entament l’ère de l’acoustique sous-marine en expérimentant la propagation du son dans l’eau sur une distance de 13 km sur le Lac Léman. En 1865, le physicien anglais J. C. MAXWELL développe sa théorie de la lumière électromagnétique (Description de l’onde électromagnétique et de sa propagation) et en 1886, le physicien allemand H. R. HERTZ démontra l’existence physique des ondes électromagnétiques confirmant ainsi la théorie de MAXWELL.
Les concepts du RADAR sont les fruits des recherches de plusieurs inventeurs, scientifiques, et ingénieurs. Les fondements théoriques datent de 1904 avec le dépôt du brevet du « Telemobiloskop » par l’allemand C. HULSMEYER. Celui-ci a démontré la possibilité de détecter la présence de bateaux dans un brouillard très dense. En envoyant une onde à l’aide d’une antenne multipolaire, son système notait le retour depuis un obstacle avec une antenne dipolaire.
Les ambitions militaires de la première guerre mondiale vont grandement influencer sur le développement du système de détection sous-marine. C’est le physicien français P. LANGEVIN, qui le premier imagina en 1915 une détection active basée sur l’écho d’un son renvoyé par un obstacle, destinée à l’origine pour la détection des icebergs en utilisant l’effet piézo-électrique réversible. C. CHILOWSKI, spécialiste russe de la radio, a mis au point les premiers sondeurs acoustiques qui permirent indirectement la détection des sous-marins allemands pendant la deuxième guerre mondiale. Jusque dans les années 1930 la détection sonore en milieu marin était passive et se bornait à l’écoute d’un son à l’aide d’un hydrophone. En 1935, faisant suite à un brevet déposé par R. WATSON-WATT, le premier réseau de radars est commandé par les Britanniques et portera le nom de code Chain Home.
Les alliés utilisèrent les travaux de LANGEVIN pour développer une version militaire du sondeur acoustique appelé SONAR ou SOund NAvigation and Ranging qui équipait en 1939 les destroyers et escorteurs de la Royal Navy.
QUELQUES SPECIFICATIONS
La télédétection, la radiolocalisation et la télémétrie fait partie des termes qu’on utilise fréquemment dans les processus de détection et de localisation.
Télédétection
Définition
Le mot télédétection ou « Remote Sensing » en anglais désigne l’ensemble des méthodes et techniques permettant d’observer et d’étudier à distance des objets ou des phénomènes. Le terme « télédétection » n’est introduit dans la langue française qu’en 1973. Dans le dictionnaire elle est définie comme un ensemble des connaissances et techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d’objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci.
La télédétection est aussi « la discipline scientifique qui regroupe l’ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour l’observation, l’analyse, l’interprétation et la gestion de l’environnement à partir de mesures et d’images obtenues à l’aide de plates-formes aéroportées, spatiales, terrestres ou maritimes. Comme son nom l’indique, elle suppose l’acquisition d’informations à distance, sans contact direct avec l’objet détecté » [1]. En tout, la télédétection se définit donc comme l’acquisition d’information à propos d’un objet ou d’un phénomène, moyennant plusieurs méthodes et techniques impliquant dans la plupart des cas, une interaction entre le rayonnement incident et les cibles visées.
Les éléments fondamentaux
Le principe de base de la télédétection est similaire à celui de la vision de l’homme. La télédétection est le fruit de l’interaction entre trois éléments fondamentaux : une source d’énergie, une cible et un vecteur de mesure des paramètres.
(i) La cible
La cible est l’objet de l’observation qui peut être de nature et de taille différente : une portion de la surface terrestre, ou maritime, ou même un phénomène atmosphérique.
(ii) La source d’énergie
La source d’énergie est l’élément qui « éclaire » la cible en émettant un rayonnement généralement une onde électromagnétique. Dans certain cas, la source d’énergie est l’observateur lui-même, et dans d’autres cas c’est la cible qui émet un rayonnement.
(iii) Le vecteur
Le vecteur est la plate-forme de la télédétection. Il mesure l’énergie transportée par le rayonnement en captant les rayons réfléchit depuis la cible afin d’obtenir des informations sur ce dernier.
Les types de télédétection
Il existe 2 types de télédétection :
(i) Télédétection active
Dans la télédétection active, le capteur émet un signal dirigé vers la cible observée, puis il capte et mesure le signal réfléchi par la cible. Il offre donc l’avantage de pouvoir prendre des mesures à n’importe quel moment de la journée ou de la saison. Les capteurs actifs sont utilisés pour examiner les longueurs d’onde qui ne sont pas produites par le soleil, par exemple les hyperfréquences, ou pour mieux contrôler la façon dont une cible est éclairée.
(ii) Télédétection passive
Dans la télédétection passive, on n’utilise qu’un récepteur pour capter les rayonnements artificielles ou naturelles déjà présent. Donc le capteur ne produit pas le signal qu’il va capter.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. GENERALITE SUR LES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
1.1. EVOLUTION DES SYSTEMES DE DETECTION ET DE LOCALISATION
1.2. QUELQUES SPECIFICATIONS
1.2.1. Télédétection
1.2.2. Radiolocalisation
1.2.3. Télémétrie
1.3. LES TECHNOLOGIES
1.3.1. Technologie Sonar
1.3.2. Technologie radar
1.3.3. Technologie lidar
CHAPITRE 2. ANALYSE ET TRAITEMENT DES SIGNAUX LIDAR
2.1. GENERALITE SUR LA TECHNOLOGIE LASER
2.1.1. Principe du Laser
2.1.2. Les Différents types de Laser
2.1.3. Propagation de l’onde optique
2.2. SYSTEME DE RECEPTION
2.2.1. Photorécepteur
2.2.2. Mode de détection
2.3. DOMAINES D’APPLICATION DU LIDAR
2.3.1. Topographie
2.3.2. Géoscience
2.3.3. Science de l’environnement
2.3.4. Domaine Militaire
2.3.5. Infrastructure du transport
CHAPITRE 3. EXPLOITATION DU LIDAR POUR LA SECURITE DU TRANSPORT MARITIME
3.1. DESCRIPTION DU PROJET
3.1.1. Architecture du système de détection d’objets faiblement immergés
3.1.2. Objectif du projet
3.2. MODELISATION MATHEMATIQUE
3.2.1. Modélisation du module d’émission
3.2.2. Modélisation de l’environnement de propagation
3.2.3. Modélisation du faisceau laser et de sa propagation dans l’eau
3.3. SIMULATION AVEC MATLAB SIMULINK
3.3.1. Description des éléments constitutifs du modèle de bloc SIMULINK
3.3.2. Résultats de la simulation
3.4. REALISATION D’UN PROTOTYPE POUR LA DETECTION D’OBJET FAIBLEMENT IMMERGE
3.4.1. Etapes de la réalisation
3.4.2. Emission laser
3.4.3. Photoréception
3.4.4. Maquette
3.4.5. Affichage numérique
CONCLUSION
