Augmenter la portée des imageurs subAQUAtiques d'un ordre de grandeur en exploitant la MATrice de distorsion – AQUAMAT

La détection d’objets immergés à distance dans des eaux turbides (contenant des particules absorbantes/diffusantes) est un enjeu majeur dans les domaines industriels (travaux sous-marins, oil & gas, énergies marines renouvelables, câbles et pipelines…), militaires (guerre des mines, surveillance…) et scientifiques (biologie, archéologie…). Or la portée de l’imagerie optique conventionnelle haute résolution est limitée par les phénomènes de multidiffusion et les aberrations générées par le milieu aquatique turbide. Ces effets limitent la distance à laquelle il est possible d’imager un objet, ainsi que la résolution ou le contraste des images obtenues. L’amélioration des performances des techniques d’imagerie optique haute résolution pour voir à travers des eaux turbides constitue un réel challenge scientifique et présente un intérêt stratégique pour de nombreuses opérations subaquatiques civiles ou de défense.
Les phénomènes de multidiffusion et d’aberrations générés par le milieu aquatique turbide sont extrêmement complexes, et leur modélisation et leur correction représentent une gageure pour les physiciennes et les physiciens. Les aberrations dues au mélange d’eaux de salinité et de température différentes dégradent la résolution de l’image et son contraste. En ce qui concerne la diffusion, on distingue en général trois types de photons parvenant jusqu’au capteur : les photons balistiques (qui n’ont été rétrodiffusés qu’une fois par l’objet lui-même), les photons serpentiles (diffusés quelques fois par le milieu) et les photons multi-diffusés (diffusés de nombreuses fois). Si l’on n’exploite que les photons balistiques, on estime à environ 80m la portée maximale potentiellement atteignable en eau claire (il s’agit là d’une limite théorique, la portée en eau très turbide est parfois inférieure au mètre). Si l’on parvient à exploiter aussi les photons serpentiles, la portée peut être multipliée par 10. L’objectif d’AQUAMAT est donc d’extraire les photons balistiques, de filtrer les photons multidiffusés, et de parvenir à exploiter les photons serpentiles pour gagner un ordre de grandeur en portée pour l’imagerie subaquatique en eaux turbides.
Ces dernières années, un domaine d’application particulier de l’imagerie à travers des milieux aqueux diffusants a suscité un formidable développement technologique : l’imagerie biomédicale. Certains auteurs suggèrent donc de s’inspirer du biomédical et d’en transcrire les méthodes pour l’imagerie subaquatique. C’est la démarche que nous nous proposons de suivre ici, en important vers l’imagerie subaquatique des techniques que nous avons appliquées avec succès à l’imagerie de tissus : l’optique adaptative et l’approche matricielle de la caractérisation d’un milieu complexe. Notre consortium est constitué d'organismes experts en correction des aberrations (ONERA) et de la diffusion (Institut Langevin) et en imagerie subaquatique (LIRMM).
Les différentes séquences de ce projet ont été pensées pour être chacune source de résultats scientifiques valorisables :
- L’étape de conception sera l’occasion de recueillir expérimentalement des données in-situ inédites et d’associer un simulateur expérimental d’eau turbide calibré (nommé « aquarium » dans ce projet) à sa version numérique (codes simulant propagation, aberration, diffusion et imagerie matricielle);
- L’étape de réalisation permettra de créer un imageur matriciel original validé dans un environnement représentatif ;
- L’objectif final, qui constituera une réelle percée dans le domaine, est l’obtention d’un gain d’un facteur 10 en portée à travers un milieu diffusant dynamique ;
- Enfin, un comité scientifique incluant des utilisateurs potentiels de ces techniques contribuera à rédiger une feuille de route pour le transfert de ces technologies à des acteurs industriels et défense de l’imagerie et la surveillance du milieu subaquatique.