Low Bias Doppler Speed Over Ground Estimation using an Multi-Beam Echo Sounder
Estimation de la vitesse par rapport au fond au travers d'un sondeur multifaisceaux
Résumé
The DVL (Doppler Velocity Log) is the sensor which measures the speed over ground of underwater vehicles. The satellite location is unavailable underwater, so the DVL becomes essential for the navigation underwater and for the geographic location accuracy underwater.To measure the speed, the DVL emits a acoustic similar pair pulse towards the seabed. Waves spread in the water, they are reflected on the seabed, and come back to the emitter which keeps on moving. The phase shift caused by the Doppler effect between echoes is calculed with the autocorrelation. It is equivalent to mean the Doppler phase on all footprint of beam on the seabed. This mean is biased because the energy of beam is not symmetrical at the reception. To reduce this bias, the current strategy consists of refining the beam on transmission while increasing the frequency of the transmitted signals which degrades the range.Firstely, this thesis characterizes this bias and then it proposes the next innovation to reduce the biase: the add of interferometric processing to couple the estimation of the direction of arrival of the echoes with the Doppler measurement. This interferometric DVL, with his sensors array at the reception, reduces by between 10 and 20 the bias according to simulations. This method is employed on a multibeam echo sounder. His lower frequency allows to increase the range. Also, this thesis proposes a new wideband autocorrelation to reduce the variance.The bias, the variance and the range of DVL are very important for a good underwater autonomous navigation. A smaller bias, a more stable measurement, and a better range alow more precise all-depth positioning for longer and deeper autonomous underwater navigation.
Parmi l'ensemble des sondeurs qui peuvent équiper un véhicule marin, le DVL (Doppler Velocity Log) est celui qui mesure la vitesse de déplacement par rapport au fond de la mer. Comme la localisation par satellites est indisponible sous l'eau, le DVL devient indispensable pour la navigation et la précision de localisation géographique sous-marine.Pour mesurer la vitesse, le DVL émet une paire d'impulsion acoustique similaire vers le fond. Les ondes se propagent dans l'eau, se réfléchissent sur le fond et reviennent à l'instrument en déplacement. Le déphasage causé par l'effet Doppler entre les échos est calculé à l'aide de l'auto-corrélation. Cela revient à moyenner la phase Doppler sur toute l'empreinte du faisceau sur le fond. Cette moyenne est biaisée à cause de la répartition non symétrique de l'énergie du faisceau autour de son axe. Le biais diminue en affinant le faisceau en augmentant la fréquence, ce qui se fait au détriment de la portée.La thèse caractérise premièrement ce biais et propose ensuite l'innovation suivante pour réduire le biais : l'ajout d'un traitement interférométrique pour coupler l'estimation de la direction d'arrivée des échos avec la mesure Doppler. Ce DVL interférométrique, équipé d'un réseau de capteurs à la réception, réduit d'un facteur 10 à 20 le biais d'après les simulations. La méthode est employée sur un sondeur multifaisceaux. Leur fréquence d'utilisation plus basse permet d'augmenter la portée. La thèse propose également une nouvelle formule d'auto-corrélation large bande dans le but de réduire la variance.Le biais, la variance et la portée du DVL sont des facteurs cruciaux pour une bonne navigation autonome sous-marine. Un biais plus faible, une mesure plus stable, et une meilleure portée permettent un positionnement toute profondeur plus précis pour une navigation sous-marine autonome plus longue et plus profonde.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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