Transmissions numériques sans-fil pour la surveillance environnementale en milieu sous-marin

Underwater wireless data transmission for environmental monitoring

• Auteur / Autrice : Thierry Deschamps de Paillette
• Direction : Alain Gaugue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 22/10/2020
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Informatique, Image, Interaction (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Benech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Gaugue, Cyril Nicolas Decroze, Bernard Uguen, Raphaël Canals, Jacques Verdier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Nicolas Decroze, Bernard Uguen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transmission numérique

Télémétrie

Milieu aquatique

Environnement -- Surveillance

Électromagnétisme

Mots clés libres

Transmissions

Télémétrie

Sous-Marin

Capteurs

Surveillance

Environnement

Électromagnétique

Magneto-Induction

Sans fil

Transmissions

Telemetry

Underwater

Sensors

Monitoring

Environment

Electromagnetic

Magneto-Induction

Wireless

Résumé

La surveillance de l’environnement sous-marin nécessite le déploiement de capteurs et d’infrastructures dédiées dont le coût et l’impact sur la faune et la flore doivent être réduits. L’application cible vise des zones géographiques inférieures à 1km2 dans lesquelles les transmissions de flux vidéo et de mesures, prélevés par des capteurs immergés, doivent être réalisées sans-fil sur des distances supérieures à 10m avec un débit minimum de 80kbps pour des puissances d’émission d’une dizaine de Watts. Une étude comparative des méthodes de communication acoustiques, optiques et électromagnétiques en eau de mer est présentée. Cette analyse est introduite en définissant un ensemble de critères de performances destinés à évaluer et sélectionner la technique la mieux adaptée aux besoins applicatifs. Les méthodes électromagnétiques, dont les coûts de déploiements et l’impact environnemental sont minimaux, présentent toutefois des limitations de portée pour le débit de données souhaité. La suite de cette thèse présente les travaux de recherche qui ont été menés pour lever ces verrous technologiques. Un premier modèle simplifié de propagation des champs électromagnétiques en milieu subaquatique a été développé pour différencier les modes de propagation favorisant les pertes par conduction de celles engendrées par les propriétés diélectriques de l’eau de mer. Des prototypes d’antennes ont été développés pour tenter d’exciter le milieu en favorisant l’un ou l’autre mode. Finalement, l’étude détaillée d’un modèle de couplage magnéto-inductif a permis de réaliser et d’évaluer les performances d’une telle liaison en utilisant des techniques originales d’élargissement de bande passante qui ont été implémentées avec succès dans un prototype de MODEM sous-marin.

Monitoring the underwater environment requires the deployment of dedicated sensors and infrastructure whose cost and impact on flora and fauna must be reduced. The target application aims geographic areas of less than 1km2 in which transmissions of video streams and measurements, taken by submerged sensors, must be carried out wirelessly over distances greater than 10m with a minimum bit rate of 80kbps for powers of emission around a dozen of Watts. A comparative study of acoustic, optical and electromagnetic communication methods in seawater is presented. This analysis is introduced by defining a set of performance criteria intended to assess and select the technique best suited to application needs. The electromagnetic methods, whose deployment costs and environmental impact are minimal, however presents limitations of ranges for the desired data rate. The remainder of this thesis presents the research work that has been carried out to remove these technological obstacles. A first simplified model of propagation of electromagnetic fields in an underwater environment has been developed to differentiate the propagation modes favouring conduction losses from those caused by the dielectric properties of sea water. Prototype antennas have been developed to try to excite the medium by favouring one or the other mode. Finally, the detailed study of a magneto-inductive coupling model made it possible to carry out and evaluate the performance of such a link using original bandwidth widening techniques which were implemented successfully in an underwater MODEM prototype.