Brevet FR2064400A1 — publié le 19710723

La présente invention concerne de façon générale les appareils sonar et se rapporte plus particulièrement à un système sonar à vue latérale qui transmet de l'énergie acoustique vers une bande étroite d'une cible, telle que le fond de la mer, 5 et en reçoit de l'énergie acoustique réfléchie en retour» Dans le cas des sonars à vue latérale, un transducteur de forme oblongue est généralement monté sur un véhicule' porteur qui se déplace sur ou au-dessous de la surface .de l'eau en suivant un cap. L'énergie acoustique est propagée suivant "un 10 faisceau en éventail très étroit sur une cible, notamment le fond de la mer, par le transducteur et l'énergie réfléchie par le fond ou les objets se trouvant sur le fond est captée par le transducteur de réception. Lorsque le véhicule porteur suit son cap, un appareil de visualisation comme un tube d'enregistrement 15 ou un enregistreur sur papier fait apparaître une image du fond conformément à la réflexion de chaque signal transmiss. L'image résultante est semblable à une image sur un écran de télévision, en ce que l'image entière est constituée par plusieurs lignes ou balayages parallèles, chaque balayage étant le portrait d'un si-20 gnal transmis réfléchi. On a créé un type de transducteur pour sonar à vue latérale dans lequel ce transducteur a une forme oblongue courbe. Un transducteur courbe est utilisé pour obtenir un haut pouvoir de résolution, le véhicule porteur se déplaçant à une relative-25 ment faible hauteur au-dessus du fond, par exemple 6 mètres. Le transducteur courbe a une surface rayonnante disposée suivant un arc de cercle dont le rayon est la hauteur prévue, l'énergie acoustique étant focalisée sur le fond de la mer suivant un axe focal» La courbure de l'arc épouse approximativement la courbure 30 de l'onde frontale de l'énergie acoustique réfléchie et une variation de la hauteur prévue peut provoquer une défocalisation et, par conséquent, une dégradation de l'image. Afin de pouvoir admettre une variation plus grande de la hauteur au-dessus du fond, on peut faire le transducteur plus court mais ceci aux dé-35 pens du pouvoir de résolution. La présente invention a pour but principal de procurer un transducteur focalisé de sonar à vue latérale permettant ?Ô? 37440 2064400 d'obtenir une grande-profondeur de champ, c'est-à-dire une grsuide variation d'altitude, sans avoir une longueur exagérée. la présente invention-consiste en un appareil sonar à vue latérale comprenant un transducteur" d'émission ayant une sur-5 -face rayonnante oblongue s'étendant entre des points d'extrémité et pouvant travailler à une fréquence 3?, un premier et un deuxième transducteurs de réception pouvant travailler chacun à cette fréquence F, le premier et le deuxième transducteurs de réception- étant espacés entre eux et placés dans le voisinage des 10 extrémités du transducteur d'émission. Plus spécifiquement, la présente invention procure un appareil sonar à vue latérale comprenant un transducteur d'émission ayant une surface de rayonnement oblongue s'étendant entre deux points d'extrémité et pouvant travailler à une fréquence F. 15 Un premier et un deuxième transducteurs de réception sont prévus qui peuvent travailler à cette fréquence F et sont chacun beaucoup plus petits que le transducteur d'émission, ces transducteurs de réception étant espacés entre eux et placés dans le voisinage des extrémités opposées du transducteur d'émission. Des 20 signaux de sortie fournis par les transducteurs de réception sont appliqués à un.moyen récepteur destiné à fournir des signaux: à un appareil de visualisation. Les figures 1A et 1B sont respectivement une vue en élévation et une vue en plan d'un faisceau de sonar à vue latérale 25 classique. La figure 2 représente le transducteur focalisé d'un sonar à vue latérale. La figure 3 représente le transducteur de la figure 2, mais orienté dans un système de coordonnées xyz. 30 La figure 4- représente un transducteur placé dans un système de coordonnées xyz, ceci servant à faire comprendre comment le transducteur répond. La figure 4A représente un faisceau créé par le dispositif de la figure 4-. 35 " • La figure 5 représente une forme d'exécution préférée de la présente invention-. . La figure 6 représente des transducteurs espacés qui 70 37440 2064400 sont placés dans un système de coordonnées xyz. - La figure 6À représente tua faisceau correspondant au dispositif de la figure 6. La figure 7 représente tin faisceau combiné produit par 5 un appareil connu, comparativement à l'appareil de la figure 5. La figure 8 représente un peu plus en détail une partie de l'appareil de la figure 5. Les figures 9 ^ 10 représentent deux types différents d'orientation des récepteurs, orientations pouvant être utili-10 sées dans la présente invention, et La figure 11 est un schéma synoptique d'un appareil sonar à vue latérale en fonctionnement et utilisant l'appareil de la figure 5. La figure 1A représente un cas d'application classique 15 de sonar à vue latérale, un véhicule 10 suivant un cap (dans la direction du lecteur) à une hauteur déterminée H au-dessus du fond de la mei? 12. Bien qu'on parle ici du fond de la mer, il est évident que cet appareil peut être utilisé au-dessus de cibles différentes ainsi que dans diverses masses d'eau. Le sonar 20 à vue latérale monté sur le porteur 10 est associé à un faisceau 14 ayant la forme d'une crêpe, c'est-à-dire large dans le sens vertical et relativement étroit dans le sens horizontal, comme cela est indiqué à la figure 1B qui est une vue en plan de l'appareil de la figure 1A. Pour mieux couvrir la cible, on peut pré-25 voir des transducteurs de bâbord et de tribord qui peuvent fonctionner simultanément à des fréquences de travail légèrement différentes ou encore, peuvent fonctionner l'un après l'autre à la même fréquence. Le transducteur qui produit un tel faisceau a une surface rayonnante ou active qui est très longue comparative-30 ment à sa largeur. Par exemple, en termes de longueurs d'onde sa longueur L peut dépasser 150 ^ tandis que sa largeur peut être inférieure à 1 J\ , étant la longueur d'onde de la fréquence de travail dans le fluide où le transducteur travaille. Pour obtenir un haut pouvoir de résolution, on utilise 35 un transducteur courbe comme celui représenté à la figure 2» Le transducteur 20, qui est un exemple des transducteurs* confiais, épouse une courbe A qui est une partie d'un cercle ayant un cen 70 37440 2064400 tre 0 et ua rayon r. 1 titre d'exemple, et ceci en fonction de la fréquence de travail, le transducteur 20 peut avoir un® longueur de plusieurs fois 30 em et peut se composer de plusieurs éléments transducteurs actifs, par exemple en titanate de "baryum, 5 ces éléments étant mis bout à "bout. La largeur d'un élément normal peut être une fraction de 2,5 cm de sorte que la superficie de la surface rayonnante est égale à une longueur de plusieurs fois 30 cm multipliée par une fraction de 2,5 cm. Par conséquent, sur les dessins annexés et dans la description, le transducteur 10 sera considéré comme étant une ligne mince. Si le transducteur 20 doit se déplacer à une hauteur H égale à la distance r, 1© point 0 se trouve sur le fond de la mer 12 et 15 énergie rayonnée à tout moment par un point quelconque du transducteur 20 atteindra le point 0 en même temps que 15 1'énergie transmise par les autres points du transducteur. Si, à partir du point 0, une droite est tirée perpendiculairement au plan du cercle (A), chaque point du transducteur 20 est également distant de n'importe quel point de cette droite. Ceci est représenté plus spécialement à la figure 3. 20 La figure 3 représente un système de coordonnées xyz. le transducteur 20 de la figure 2 se trouvant dans le plan xj à une hauteur ou distance H de l'origine O. Chaque point du transducteur 20 se trouve à la même distance H de 0, puisque le transducteur se trouve sur un arc de cercle ayant le point 0 com-25 me centre. La ligne F, qui est l'axe focal, est perpendiculaire au plan du cercle (le plan xy) à hauteur du point 0 et tout point de l'axe F est également distant de tous les points du transducteur 20» Une droite tirée du point 24 à 1'intersection du transducteur 20 et de l'axe des s porte la référence 25 et a une lon-30 gueur S, S étant la distance oblique âu point 24. Les lignes 25 réunissant les extrémités du transducteur 20 au point 24 ont aussi une longueur égale à S Si le transducteur 20 reçoit 1'énergie électrique appro-35 priée, il transmet de 1'énergie acoustique suivant un certain faisceau, ou bien s'il s'agit d'un récepteur, le transducteur 20 produira un signal électrique de sortie correspondant en \ BAD ORIGINAL 70 37440 2064400 15 20 25 30 réponse à la réception de l'énergie appliquée appropriée et ceci conformément à son faisceau de réception. Si, sur la figure 4, le transducteur 20 émet tin signal acoustique, la pression acoustique en un point tel que 27 sur l'axe focal F a une certaine ■valeur. La pression en un point voisin 28 dans le plan sgr aura une valeur relativement plus faible. L'angle «( est formé par les lignes reliant le transducteur 20 aux points respectifs 27 et 28. Le diagramme de rayonnement à toute distance le long de l'axe focal F peut être approximativement défini par l'équation : où. : L est la longueur de transducteur 20, A est la longueur d'onde de la fréquence de travail, est l'angle représenté à la figure 4 et est le rapport de réponse entre une direction suivant l'angle «( et suivant l'axe focal, c'est-à-dire le rapport de réponse entre le point 28 et le point 27. Le point 28 représente tout point se trouvant de part et d'autre du point 27 sur l'axe focal F. Le diagramme de rayonnement sur la cible (le plan xy) en un point normal comme le point 27 est représenté à la figure 4A où l'angle â( est porté le long de l'axe horizontal entre +90 et -90° ou entre + et —radians. L'axe vertical représente la pression sonore ou acoustique normalisée. Gela signifie qu'on a donné à la pression sonore ou acoustique maximum à hauteur du point 27 en question une valeur arbitraire égale à l'unité, toutes les autres pressions sonores étant exprimées par rapport à ce maximum et tombant donc entre zéro et l'unité. L'échelle verticale de la figure 4A est en décibels (db). Cette unité est une autre manière de représenter les pressions relatives et, comme la pression aura au maximum la valeur de l'unité ou moins, la valeur de la pression sera exprimée en -db, c'est-à-dire des db négatifs. Par exemple, le point ma-rinrnm 1,0 sur l'échelle des pressions relatives équivaut à 0 db. Une pression valant environ les 7/10 du maximum est dite de -3db ou de 3db négatifs tandis qu'une pression d'environ 0,1 est dite de -20db ou de 20db négatifs. La largeur du faisceau est généralement donnée à hauteur d'un certain niveau de référen* (1) 70 37440 6 2064400 ce. A titre d'exemple, les points de -5db peuvent être choisis comme référence et la largeur du faisceau représenté par le dessin de la figure 4A vaut donc 9. Un faisceau comme celui représenté à la figure 4A et qui 5 représente en fait l'équation (1), est associé à chacun des points de l'axe focal F. Dans l'hypothèse où l'énergie acoustique maximum tombe dans la largeur de faisceau de 3db» c'est-à-dire pour une distance angulaire 9 de part et d'autre de l'axe focal F,; une bande étroite chevauchant l'axe focal F reçoit tou-10 te l'énergie acoustique sur le fond de la mer ou inversement, si le transducteur est un récepteur, l'énergie acoustique maximum est détectée à partir de cette bande étroite alimentée par l'énergie acoustique. Si le transducteur 20 de la figure 4 est aussi utilisé 15 comme récepteur ou si un transducteur semblable est utilisé comme récepteur, le pouvoir de résolution d'un tel montage est défini comme étant la largeur de faisceau à 5db du faisceau aller ou la largeur de faisceau à 6db du faisceau combiné ou composite qui 2 vaut R^ x R ^ soit R 20 La présente invention utilise un. transducteur de sonar à vue latérale oblong comme le transducteur 20 de la figure 4 pour transmettre de l'énergie acoustique sur le fond de la mer, en combinaison avec un premier et un deuxième transducteurs de réception relativement plus courts et placés dans le voisinage 25 des extrémités opposées du transducteur d'émission. La figure 5 qui est donnée à titre d'exemple, montre Tin transducteur d'émission 30 ayant une surface de rayonnement allongée s'étendant entre des points d'extrémité et porté par une monture 32. Un premier transducteur de réception 34 est porté par la monture et 30 est placé dans le voisinage d'une extrémité du transducteur 30 tandis qu'un deuxième transducteur de réception 35 est placé dans le voisinage de l'extrémité opposée du transducteur 30. De préférence, le point milieu de chaque transducteur de réception relativement court est placé exactement à hauteur du point d'extrémi-35 té du transducteur 30. Le diagramme de réception des transducteurs espacés 34 et 35 ressort le mieux de la figure 6 où les transducteurs de réception sont représentés par des points 34 et 35 dans 10 70 37440 2064400 le plan xz et séparés par une distance L égale à la longueur du transducteur 30» Afin de faire une comparaison avec le dispositif de la figure 4-, le point 27 de l'axe focal F est à nouveau choisi et le point 28 représente tout autre point se trouvant de part et d'autre de l'axe focal F et faisant un angle , l'angle étant délimité par les lignes allant de l'axe des z aux pointât 27 et 28. La réponse relative, c'est-à-dire le rapport de réponse entre le point 28 et le point 27 est donné par la formule : = C0S ^ jf sin ^ Ce diagramme de faisceau est porté à la figure 6A où l'axe horizontal représente et l'axe vertical représente la pression relative comme dans le cas de la figure 4A. Dans le cas du dispositif de la figure 5» le diagramme 15 de faisceau du transducteur d'émission 30 suit en substance l'équation (1) et la courbe de la figure 4A alors que le diagramme de l'ensemble de réception, c'est-à-dire des transducteurs de réception 34 et 35, est en substance représenté par l'équation (2) et la courbe de la figure 6A. Le diagramme de faisceau com-20 posite est égal à : L Evty . Bin (2ff* »ln ) (3) 2 1T sia L'aller et retour ou faisceau composite d'un transduc-25 teur d'émission comme celui portant la référence 30 en association avec un transducteur de réception comme le transducteur 30 est donné par l'équation : 2 3Lh M H' 30 (3ti)2ain2 La figure 7 représente l'équation (3) à titre de comparaison avec l'équation (4) et on peut démontrer mathématiquement que la largeur au niveau -6db, ce qui est une indication du pouvoir de résolution du système, est approximativement 40 % plus 35 grande pour la courbe E^.R^que pour la courbe R^ • En d'autres mots si on utilise un dispositif comme celui représenté à la figure 5 et conforme à la présente invention, on obtient ira. 70 37440 2064400 sonar à vue latérale ayant un plus grand pouvoir de résolution qu'un sonar à vue latérale utilisant un. transducteur de même longueur mais de type connu. Par conséquent, pour obtenir un même pouvoir de résolution, la présenté invention permet d'utiliser 5 un transducteur de plus courte longueur, ceci en particulier dans le cas où l'encombrement et le poids sont de première importance. En disposant d'un appareil ayant le même pouvoir de résolution qi un appareil avec un transducteur plus long, on tire 10 un autre avantage consistant en une augmentation de la profondeur de champ du nouvel appareil. Pour des distances allant du voisinage immédiat du transducteur jusqu'au maximum de distance ou profondeur, la profondeur de champ varie en proportion inverse du carré de la longueur 15 du transducteur. Pour les distances de fond approximativement égales ou inférieures à la valeur de l'altitude H, la profondeur de champ est approximativement proportionnelle à H^/L^. Pour des distances de fond plus grandes, la profondeur de champ est appro- p ximativement proportionnelle à H/L . Par conséquent, dans le cas 20 de la présente invèntion, en diminuant la longueur L de l'appareil, on augmente la profondeur de focalisation sans sacrifier le pouvoir de résolution. La figure 8 représente un peu plus en détail le transducteur 34 et une partie du transducteur 30 de la figure 5* Le 25 transducteur d'émission 30 comprend plusieurs éléments actifs 40 montés bout à bout suivant une ligne et électriquement reliés en-" tre eux par des moyens bien connus. Un transducteur de réception 34 est placé directement au-dessus de l'extrémité du transducteur 30® Celui-ci comprend aussi plusieurs éléments actifs 40 30 dont le nombre exact dépend des considérations de fabrication de l'appareil. A titre d'exemple, dans le cas d'une fréquence de travail de 150 KHz et d'une longueur d'onde de 0,4 pouce, chaque élément actif 40 peut avoir une longueur de plusieurs fois 30 cm et une largeur de 3/4 A . La longueur du transducteur d'émission 35 30 d'une extrémité à 1sautre exprimée en longueurs d'onde peut valoir approximativement 162 ©t chaque transducteur de réception comme le transducteur 34 peut avoir une longueur d'environ 70 37440 9 2064400 27 /| t se composant de trois éléments d'une longueur de 3,5 fois 2,5 cm. La longueur des:transducteurs de réception 34 et 35 est relativement plus petite que la longueur du transducteur d'émis-5 sion 30 et les éléments actifs constituant les transducteurs de réception peuvent suivre une courbe, comme dans le cas. de la figure 9 où la courbure du transducteur 30 et l'arc sur lequel se situent les récepteurs ont été exagérés. Ou "bien, comme cela est représenté à la figure 10, les transducteurs de réception 34 et 10 35 peuvent suivre des lignes droites respectives. La figure 11 représente sous forme synoptique un sonar à vue latérale d'opération incorporant l'appareil de la figure 5 et servant à examiner une cible d'un côté d'un véhicule porteur. Lors de l'application d'une impulsion de commande appropriée 45 15 qui peut être fournie par l'enregistreur 47, l'émetteur 49 produira un signal électrique qui est appliqué au transducteur d'émission 30, celui-ci transmettant un signal acoustique de longueur d'onde A vers la cible et à l'intérieur d'une bande étroite visée. L'énergie acoustique réfléchie de longueur d'onde A 20 est captée par les transducteurs de réception 34 et 35 qui sont électriquement reliés entre eux et qui appliquent leur signal de sortie correspondant au récepteur 52. Afin d'obtenir un signal de retour d'une intensité relativement régulière (en 1'absence de cible), la sortie du récepteur 52, qui décroît en amplitude dans 25 le temps, subit l'influence d'un moyen à gain variable dans le temps 54 qui fait varier le gain conformément à la courbe représentée. Une telle technique est bien connue. Le détecteur 5&j qui reçoit la sortie du moyen à gain variable dans le temps 54, produit un signal de sortie représentatif de l'énergie acoustique 30 réfléchie et appliqué à l'enregistreur 47 qui réalise la visualisation désirée. Un tel enregistreur 47 peut consister, par exemple, en un enregistreur à bande magnétique en vue d'une visualisation future, en un appareil à tube enregistreur à rayons cathodiques, ou m appareil à fil hélicoïdal et papier électro-35 sensible, entre autres. 70 37440 10 REVERDICATIONS 2064400 1. Appareil sonar à vue latérale comprenant un transducteur d'émission ayant une surface rayonnante oblongue s'étendant entre êtes points d'extrémité et travaillant sur une fréquen-5 ce F, un premier et un deuxième transducteurs de réception pouvant travailler chacun sur cette fréquence F, le premier et 1b deuxième transducteurs de réception étant espacés entre eux et situés dans le voisinage des extrémités opposées du transducteur d'émission précité. 10 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface rayonnante oblongue du transducteur démission épouse une ligne courbe. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que chaque' transducteur de réception a une surface 15 de réception oblongue. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les surfaces de réception oblongues des transducteurs de réception précités épousent une ligne courbe. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par 20 le fait que les surfaces allongées de réception des transducteurs de réception suivent des lignes droites respectives. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la longueur de la surface rayonnante allongée du transducteur d'émission est L et en 25 ce que la distance entre les points milieu du premier transducteur de réception et du deuxième transducteur de réception est en substance égale à L* 7. Appareil sonar à vue latérale comprenant un émetteur pour fournir au transducteur émetteur de l'énergie électrique en 30 vue de la transmission d'un signal acoustique ayant une longueur d'onde X , le premier et le deuxième transducteurs de réception répondant chacun à l'énergie acoustique réfléchie de cette longueur d'onde \ de manière à produire des signaux électriques de sortie correspondants, en ce qu'un ensemble de réception est pré-35 vu, des moyens étant prévus pour relier électriquement le premier transducteur de réception et le deuxième transducteur de réception à cet ensemble de réception, et en ce que des moyens sont fonctionnellement reliés à cet ensemble de réception pour enregistrer les informations fournies par les signaux de sortie.