Sonar compact inspiré des dauphins pour une meilleure imagerie acoustique sous-marine

Les sonars d’imagerie sous-marine sont une technologie essentielle pour l’exploration des océans. Les sonars biomimétiques inspirés des mammifères marins tels que les dauphins sont un développement émergent dans ce domaine. Une équipe de scientifiques de l’Institut des sciences marines tropicales (TMSI) de l’Université nationale de Singapour (NUS) a développé un sonar compact inspiré des dauphins avec une nouvelle méthode de traitement de l’écho qui permet une imagerie visuelle plus claire sous l’eau par rapport à la méthode conventionnelle de traitement du signal de visualisation les échos sonores.

Le sonar intègre des informations sur la rareté des objets qui permettent de mieux interpréter les échos sonores. Cette méthode de traitement est basée sur l’hypothèse que les dauphins utilisent des informations préalables sur leur environnement, en dehors des impulsions sonores à large bande, pour interpréter leurs échos.

Comparé à d’autres sonars de tailles et d’objectifs similaires, le sonar développé par l’équipe NUS offre un meilleur compromis entre la clarté de l’image sonar, le nombre de capteurs et la taille du réseau de capteurs utilisé. Les méthodes conventionnelles de traitement des échos sonores échouent généralement lorsque les capteurs sont trop peu nombreux ou éparpillés. Cependant, la méthode de traitement du sonar développée par les chercheurs du NUS sera capable d’extraire des informations tout en offrant une clarté d’image dans un tel scénario.

L’étude a été publiée dans Ingénierie des communications en 2022.

Interprétation sonar inspirée des dauphins

Les scientifiques ont observé que les dauphins étaient capables de scanner acoustiquement des objets sous l’eau et de sélectionner visuellement des objets correspondants. Cela a démontré que les échos sonores d’un dauphin émis par un objet contenaient des informations sur la forme de l’objet. Ils ont ensuite enregistré des échos de dauphins émis lors du balayage d’un objet sous l’eau.

Sur la base de leurs observations, l’équipe a construit un sonar biomimétique qui reproduisait le sonar d’un dauphin. Le sonar, qui mesure environ 25 cm de large et environ la taille de la tête d’un dauphin, est conçu pour émettre des sons de clic aigus et impulsifs similaires à l’écholocation d’un dauphin. Trois émetteurs sont utilisés pour envoyer des sons provenant de différentes directions. Les chercheurs ont ensuite traité les sons du dauphin et de leur sonar pour visualiser ce que les échos ont révélé sur la forme de l’objet.

Pour compléter le matériel, l’équipe a imaginé un logiciel innovant permettant au sonar d’améliorer la visualisation des échos. Partant de l’hypothèse que les dauphins utilisent des informations préalables pour traiter leurs échos, les chercheurs ont intégré le concept de parcimonie dans le logiciel du sonar. Cela suppose que sur l’espace scanné, seul un petit pourcentage est occupé par l’objet.

“L’utilisation d’informations préalables, telles que l’idée de parcimonie, est intuitive. C’est quelque chose que les humains font tout le temps : nous transformons notre compréhension de la réalité en attentes qui peuvent accélérer nos déductions et nos décisions. Par exemple, en l’absence d’autres informations , le cerveau humain et le système de vision ont tendance à supposer que dans une image, la lumière sur un objet tombera d’en haut », a déclaré le Dr Hari Vishnu, chercheur principal au NUS TMSI.

L’efficacité du logiciel a été démontrée lorsqu’il a pu visualiser les informations des échos sonar d’un dauphin lors du balayage d’un objet, ainsi que les signaux sonar produits par leur sonar compact. Une approche conventionnelle de traitement des deux échos sonar a entraîné des images bruitées. Cependant, la nouvelle approche de traitement a donné une meilleure résolution et donc des images plus nettes. Le logiciel est également capable de générer des visualisations en seulement trois clics à partir du sonar, ce qui lui permet d’être rapide sur le plan opérationnel.

La nouvelle méthode de traitement par sonar pourrait avoir des avantages potentiels dans les sonars sous-marins commerciaux ou militaires. Par exemple, il pourrait être utilisé pour balayer le fond marin afin de rechercher des éléments pouvant être utilisés pour faciliter la navigation. La compacité du sonar le rend également apte à être monté sur des robots sous-marins pour l’exploration océanique.