Measurement Accuracy of Bathymetric Sonars as a Function of Signal/Noise Ratio. Précision de Mesure des Sonars Bathymétriques en Fonction du Rapport Signal/Bruit

Measurement Accuracy of Bathymetric Sonars as a Function of Signal/Noise Ratio

Précision de Mesure des Sonars Bathymétriques en Fonction du Rapport Signal/Bruit

X. Lurton

IFREMER - Service Acoustique et Sismique BP 70, 29280 Plouzané

Corresponding Author Email: 
lurton@ifremer.fr
Page: 
179-194
|
Received: 
3 October 2000
|
Accepted: 
N/A
|
Published: 
30 June 2001
| Citation

OPEN ACCESS

Abstract: 

Multibeam echosounders and bathymetric side-scan sonars are nowadays widely used for seafloor topographic mapping. Depending on the measurement angle sector and on the sonar array structure, various methods are usable to estimate time-angle pairs needed to estimate sounding point positions. Distinctions are to be made between methods based on signal amplitude or phase, on one hand, and measurements at given time or angle, on the other hand; this leads to define four main methods, covering most of bathymetry systems available today (maximum amplitude instant, phase difference direction, zero-phase difference instant, maximum amplitude direction). The principles of these four approaches are described, and their respective measurement accuracy is evaluated as a function of the signal-to-noise ratio value. The formulae developed here account for the array geometry and beamforming weighting. The performances of two current methods for oblique incidences are compared and commented. The particular case of measurements close to the vertical is discussed. The performances of elementary measurements of phase, time and angle for fluctuating signals are presented in an appendix.

Résumé

Les sondeurs multifaisceaux et les sonars latéraux à fonction bathymétrique sont largement utilisés pour les relevés topographiques des fonds marins. En fonction du secteur angulaire mesuré, et de la structure des antennes du système sonar, différentes méthodes peuvent être employées pour l’estimation des couples temps-angle nécessaires à l'estimation de position des points de sonde. Les distinctions entre méthodes basées sur l’amplitude ou sur la phase des signaux d’une part, et entre mesure à instant donné ou à angle fixé d’autre part, permettent de définir quatre grandes approches, qui couvrent l’essentiel des systèmes bathymétriques disponibles aujourd’hui. Ces quatre méthodes classiques sont décrites dans leurs principes, et leurs précisions de mesure respectives sont évaluées en fonction du rapport signal sur bruit. Les formules données tiennent compte de la géométrie des antennes et de leur pondération. Les performances de deux méthodes utilisées en incidence oblique sont comparées et commentées. Le cas particulier des mesures aux incidences proches de la verticale est discuté. Les performances des mesures élémentaires de phase, de temps et d'angle pour des signaux fluctuants sont présentées en Annexe.

Keywords: 

Echosounder, sonar, bathymetry, interferometry

Mots clés 

Sondeur, sonar, bathymétrie, interférométrie

1. Introduction
2. Présentation Générale
3. Performances des Méthodes de Mesure de Bathymétrie
4. Discussion
5. Conclusions
Annexe: Modèles des Erreurs Élémentaires de Mesure
  References

[Billon87] D. Billon « Bearing estimation of a single monochromatic plane wave with a linear receiving array » dans  Progress in Underwater Acoustics, édité par H.M.Merklinger, Plenum Publishing Corporation, 1987. 

[Bouvet92] M. Bouvet, Traitement des signaux pour les systèmes sonar, Masson, Paris, 1992. 

[Burdic84] W.S. Burdic, Underwater Sound System Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliff, 1984.

[Carpentier84] M. Carpentier, Radars – Bases modernes, Masson, Paris, 1984. 

[Hare95] R. Hare, A. Godin & L. Mayer « Accuracy estimation of Canadian Swath (multibeam) and Sweep (multitransducer) Sounding Systems », Canadian Hydrographic Service Internal Report, 1995. 

[Harris78] F.J. Harris « On the use of windows for harmonic analysis with the Discrete Fourier Transform », Proc. IEEE, vol.66, N°1, pp. 51-83, 1978. 

[Jin96] G. Jin & D. Tang « Uncertainties of differential phase estimation associated with interferometric sonars », IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol.21, N° 1, pp. 53-63, 1996. 

[LeChevalier89] F. Le Chevalier, Principes de traitement des signaux radar et sonar, Masson, Paris, 1989.

[Leclerc94] F. Le Clerc « Performance of angle estimation methods applied to multibeam swath bathymetry », Proc. IEEE Oceans’94, Brest, pp. III 231-236, 1994. 

[Lurton00] X. Lurton « Swath bathymetry using phase difference: theoretical analysis of acoustical measurement precision », IEEE  Journal of Oceanic Engineering 25(3), pp. 351-363, 2000. 

[Maitre01] H. Maître, Traitement des images de RSO, Hermes, Paris, 2001. 

[Quazi81] A.H.Quazi « An Overview of the Time Delay Estimate in Active and Passive systems for Target Localization », IEEE Trans.Acoustics, Speech and Signal Processing, vol.ASSP-29 N°3, pp527-533, 1981. 

[Sintes00] C.Sintes & B.Solaiman « Strategies for unwrapping multisensors interferometric side scan sonar data », Oceans’2000.