Brevet FR2110374A1 — publié le 19720602

La présente invention se rapporte à un procédé et un appareil de sondage acoustique, et elle concerne plus particulièrement un appareil pour obtenir de l'information au sujet de l'atmosphère et à un procédé pour établir cette information sous forme visuelle. Bien qu'elle ne soit pas nécessairement limitée à cette utilisation, l'invention est spécialement intéressante pour les études météorologiques, et en particulier pour les problèmes reliés au brouillard, à la pollution de l'atmosphère et aux conditions associées à la propagation anormale des ondes radio. Le principal objet de l'invention réside en un appareil de sondage acoustique qui soit efficace et fiable, robuste et de petites dimensions pour pouvoir être porté facilement, et sensiblement exempt de problèmes d'entretien. Un autre objet est de fournir l'affichage visuel de l'information d'une manière telle qu'il facilite la détection et l'appréciation de conditions particulières. Selon un aspect de l'invention, elle consiste en une coupelle réfléchissante, des moyens pour amener un signal acoustique pulsé à la coupelle pour le réfléchir dans l'atmosphère, et des moyens pour détecter les signaux réfléchis de l'atmosphère à la coupelle. De préférence, la coupelle réfléchissante est construite en fibres de verre d'épaisseur appropriée,- nvec des nervures ou autres additions de construction si c'est nécessaire, pour la rendre autonome. On a trouvé, en pratique, qutune coupelle de cette construction fonctionne de manière satisfaisante si elle a un diamètre de l'ordre de un mètre, de-sorte qutelle est une structure facile à porter, et que ses propriétés acoustiques, en particulier l'absence d'oscillation parasite, sont satisfaisar8es, Plus particulièrement, l'appareil de sondage acoustique selon l'invention peut comprendre une coupelle parabolique telle que définie, un transducteur agencé pour diriger des ondes sonores vers la coupelle, un cornet exponentiel fonctionnant du transducteur à la coupelle, des moyens pour émettre des signaux électriques pulsés vers le transducteur au moyen d'un appareillage de commutation, ledit appareillage de commutation fonctionnant pour recevoir et détourner les signaux résultant de lténergie sonore réfléchie transmise de la coupelle au transducteur, et des moyens pour amplifier et transmettre ces signaux de retour. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est un schéma par blocs d'un appareil de sondage selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est un schéma des circuits du premier gyrateur et de celui de réaction représentés sur la figure 1. La figure 3 est un schéma de circuit du groupe de traitement des signaux. La figure 4 est un graphique montrant la fonction du groupe de traitement des signaux. En se référant d'abord à la figure 1, les agencements représentés comprennent un oscillateur 11 qui envoie des signaux par un diviseur de circuit 12 et par un générateur 13 d'impulsions de commutation à un premier groupe gyrateur 14 avec circuit de réaction, illustré avec plus-de détail sur la figure 2. Comme montré par cette figure, le groupe 14 comprend une inductance à la masse suivie d'un amplificateur de gain 2 Le groupe comporte deux circuits de réaction qui sont choisis en alternance par un commutateur 15, qui est l'un de nombreux commutateurs actionnés par le générateur d'impulsions 13, comme indiqué par la ligne en tirets de la figure 1. Le commutateur 15 étant dans la position supérieure, ce qui correspond au mode transmetteur de l'appareil, le groupe 14 agit en oscillateur, et le commutateur 15 étant dans la position inférieure, qui correspond au mode récepteur, le groupe 14 agit en amplificateur accordé.Les deux circuits de réaction utilisent des potentiomètres 16 et 17 par lesquels on peut régler respectivement ltamplitude de ltoscilla- tion et la largeur de bande du circuit amplificateur, et le circuit de réaction de l'oscillateur utilise un ensemble formé de résistances et de diodes. Le groupe 14 étant sur le mode transmetteur, on fait passer sa sortie par le commutateur 1t, qui est alors en position supérieure comme représenté, à un amplificateur de puissance 19. Les conducteurs 20 provenant de l'amplificateur 19 sont connectés aux bornes d'un commutateur bipolaire 21 qui est aussi commandé par le groupe générateur d'impulsions et est soulevé dans le mode transmetteur, de sorte que les conducteurs 20 sont reliés à des conducteurs 22. Les conducteurs 22 sont connectés par un autre commutateur 23, qui est aussi soulevé dans ce mode, à un trans ducteur 24. Le transducteur 24 est disposé verticalement audessus d'une coupelle parabolique 25 qui fait face verticalement vers le haut et est en fibres de verre. Le transducteur est muni d'un cornet exponentiel 26 dont l'embouchure est placée au foyer de la coupelle parabolique 25.Les impulsions électriques reçues par le transducteur sont converties en ondes sonores et rendues, par le cornet, correspondantes à l'atmosphère, elles sont rayonnées vers la coupelle 25 puis réfléchies en un faisceau sensiblement parallèle dans l'atmosphère. Lorsque l'appareil est en mode récepteur, les différents commutateurs déjà décrits, ainsi que d'autres que l'on décrira plus loin, sont en position abaissée sur la commande du générateur d'impulsions 13. Dans ce mode, les signaux d'ondes sonores recueillis par la coupelle parabolique 25 sont réfléchis dans le cornet exponentiel 26 jusqu'au transducteur 24 qui produit des impulsions électriques correspondantes. Celles-ci sont amenées au commutateur 23 qui ne les fait pas passer directement aux conducteurs 22, mais à travers un pré-amplificateur 27 de faible bruit et, de là > par un commutateur 2t, aux conducteurs 22. La longueur de ceux-ci peut être considérable. On a utilisé des conducteurs ayant jusqu'à 420 m de longueur avec un gain d'amplificateur de 1000 sans dégénération notable du signal par suite de la "captation" (harmoniques de radio-fréquence ou du réseau) dans le conducteur équilibré. Le commutateur 21 transmet le signal à un transformateur en ferrite 29 qui le convertit en un signal non équilibré, et l'on envoie celui-ci à un amplificateur 30 à faible gain et à large bande. Il est à noter qu'un autre commutateur 31 est prévu entre les conducteurs entre le transformateur 29 et l'amplificateur 30. Il est ouvert dans le mode récepteur mais, dans le mode transmetteur il est fermé pour court-circuiter l'entrée à l'amplificateur 30. De l'amplificateur 30 à large bande, le signal est transmis par un condensateur d'raccord 32 au groupe gyrateur 14 qui est alors en mode récepteur et agit en amplificateur d'accord. Une caractéristique du circuit gyrateur est que la "perte" dans l'inductance effective peut être très basse et que, par conséquent, on peut obtenir une très haute résonance 9 . On obtient facilement uneamplication stable avec des largeurs de bande aussi petites que 1 Hz et jusqu'à 1 kHz. La sortie du groupe 14 est fournie par le commutateur l, par un autre amplificateur d'accord 33, à un second groupe gyrateur 34 pour améliorer encore le rejet des signaux dont la fréquence est éloignée de la fréquence transmise. Une caractéristique des groupes gyrateurs est que la valeur d'inductdnce effective" du circuit de gyrateur peut varier sur un large intervalle en faisant varier un potentiomètre installé dans le circuit et en utilisant des potentiomètres correspondants, on peut faire en sorte que les inductances effectives des deux circuits "suivent't ou donnent de très près les mêmes valeurs dtinductance sur un large intervalle de fréquences. Par suite, la fréquence effective de fonctionnement des deux circuits de gyrateur peut être simplement réglée par la commande unique à potentiomètres jumelés. Le circuit de gyrateur utilisé a la propriété que la fréquence à laquelle le circuit oscille est très proche de la fréquence de la plus grande amplification quand on utilise le circuit en mode amplificateur. Lorsqu'on opère à une fréquence de 1 kHz, les fréquences de transmission et de réception diffèrent typiquement de moins de 0,5 Hz. Un avantage du système est que, si les effets de la température ou de la haute tension changent la fréquence de transmission, ils changent aussi le circuit récepteur de manière qutil reste accordé à la fréquence de transmission.D'autres avantages sont que la fréquence de transmission/réception peut être facilement modifiée sur un large intervalle, la largeur de bande peut aussi être facilement modifiée, et que, en mode récepteur, il n'y a pas d'oscillateur dans le système qui oscille à la fréquence de fonctionnement, ce qui réduit les problèmes de "captation". Comme représenté en outre sur la figure 2, l'entrée au groupe 14 en provenance du générateur d'impulsions 13 passe par un transistor à effet de champ 35. Au commencement et à la fin de chaque impulsion transmise, une courte impulsion est appliquée au transistor 35 pour charger le circuit amplificateur/oscillateur afin de dissiper l'énergie emmagasinée. L'utilisation d'un ensemble résistances/diodes dans le circuit de réaction engendrant le ton de transmission est une caractéristiques importante dans le fonctionnement du circuit car les diodes assurent que le circuit est "non régénératif" lorsque le signal est grand mais "régénératif" lorsque le signal est petit. Puisque les échos reçus de l'atmosphère peuvent varier énormément avec la distance et avec le temps, on fait passer les signaux sortant du deuxième groupe gyrateur 34 dans un groupe détecteur 36 à large intervalle dynamique qui détecte l'envelop- pe des signaux sortants, et qui fonctionne en association avec un groupe à filtres actifs 37. 3e manière typique, un intervalle dynamique d'environ 60 dB est désirable, et l'on y parvient en utilisant un amplificateur avec des diodes comprises dans le réseau de réaction, et en éliminant par filtrage le composant haute fréquence par les filtres actifs du groupe 37. Le signal du groupe 37 à filtres actifs passe alors par un amplificateur logarithmique 38. On utilise ce dernier pour trois raisons principales, qui sont 1) l'intervalle principal de l'amplitude du signal est effectivement comprimé, et les étapes suivantes dans le circuit de traitement et d'affichage n'exigent plus un large intervalle dynamique, 2) puisque la sortie est proportionnelle au logarithme du signal d'entrée, un changement donné de la tension de sortie correspond à un certain changement fractionnaire de la tension rentrée. Par exemple, le changement de tension de sortie provoqué par un signal d'entrée changeant de 1 mV à 10 mv est le même que le changement de tension de sortie provoqué par un signal d'entrée changeant de 100 mV à 1V.Le résultat en est que les variations du signal de sortie indiquent des changements fractionnaires du signal en fonction du temps et ne dépendent pas de la grandeur du signal d'entrée. Cette caractéristique est particulièrement utile lorsque la détection d'un changement de force du signal est plus fondamentale que la grandeur absolue du signal, comme ce peut être le cas dans la détection de la présence de réflexions acoustiques par des régions réfléchissantes bien délimitées. 3) Si le signal à la sortie de l'amplificateur logarithmique est ajouté à une autre forme d'onde, la forme d'onde qui en résulte est la même que si le gain des étapes d'amplification du signal avant le détecteur variaient en fonction du temps. En engendrant des formes d'onde appropriées bloquées sur l'impulsion de transmission, on peut effectivement faire varier le gain du système récepteur en fonction du temps après l'impulsion de transmission, c'est-à-dire en fonction de l'intervalle de caractéristique atmosphérique provoquant des réflexions. De cette façon, la 'sensibilité" du système récepteur peut être rendue telle que la sortie provoquée par les très fortes réflexions provenant des irrégularités atmosphériques au voisinage de l'antenne puisse être comparable aux réflexions beaucoup plus faibles provoquées par des réflecteurs éloignés. Le résultat en est que les effets de la divergence du son transmis et l'effet de l'absorption peuvent être supprimés dans l'affichage de l'information de sortie. Les signaux sortant de l'amplificateur logarithmique 38 sont envoyés, par un groupe de couplage 39 alternatif/continu à un aniplificateur sommateur 40. Le mode de couplage en courant continu est utile si la grandeur absolue de la force du signal est exigée. Le couplage en courant alternatif (avec une constante de temps d'environ 30 s) est considéré généralement comme plus utile si le but dominant est de détecter la présence d'un écho plutôt que de déterminer son amplitude. Ceci se produit car le bruit de fond reçu par le transducteur est une quantité variable et peut atteindre un niveau élevé pour des périodes prolongées (par exemple lorsqu'il règne des états venteux). Le couplage en courant alternatif permet d'obtenir une sortie par rapport au niveau du bruit de fond et, par suite, agit efficacement comme un circuit automatique de suppression du bruit. L'amplificateur sommateur final 40 ajoute le signal coupS en alternatif ou en continu à une forme d'onde fournie par un générateur 41 commandé par le générateur d'impulsions 13. I1 reçoit aussi des marques de hauteur d'un groupe 42 commandé par l'oscillateur 11 au moyen d'une ligne en dérivation sur le groupe diviseur de circuit 12. Le signal de l'amplificateur 40 peut être fourni directement à un appareil enregistreur, ou être d'abord traité dans le groupe 43 de traitement des signaux, selon la position du commutateur normal 44. Une forme appropriée de groupe 43 est représen tée sur la figure 3. Pour de bas niveaux positifs de signal d'entrée, le circuit de cette figure agit comme un amplificateur à couplage d'entrée capacitif et à constante de temps d'environ une seconde. Si un grand signal positif apparaît à entrée, la sortie de l'amplificateur 45 de 709 pA est suffisante pour rendre conductrice la diode de Zoner 26 du circuit de réaction, en accrochant la tension au point A à un niveau fixe dépendant du gain de l'amplificateur, quelle que soit la quantité dont la tension d'entrée dépasse le niveau où l'accrochage se produit. Si la valeur de la tension du signal d'entrée diminue alors, la charge est couplée par le condensateur d'entrée 46 et la sortie de l'amplificateur 44 devient positive. La diode de Zéner 45 dans le circuit de réaction prend une polarisation inverse et conduit. En conséquence, la tension au point A décharge jusqu'à ce qu'elle atteigne 0 volt et est alors accrochée. Le cycle se répète au prochain retour positif de la tension d'entrée. I1 s'ensuit que, pour des variations rapides du signal d'entrée, le circuit agit pratiquement de la même manière qutun circuit de différentiation avec hystérésis, suivi d'un amplificateur limiteur. Les valeurs des composants montrées sur la figure sont seulement typiques et non critiques. Pour les valeurs montrées, la constante de temps du circuit d'entrée est de l'ordre d'une seconde, et le gain de l'amplificateur est réglable dans l'intervalle d'environ 3 à 200. En général, la modification désirable de l'entrée consiste à établir un intervalle prédéterminé de tensions de limitation, et à produire une tension de sortie qui varie selon la tension d'entrée sauf que, à mesure que la tension d'entrée augmente d'un minimum à un maximum d'une quantité qui sort dudit intervalle, la tension de sortie se règle à une valeur constante, à laquelle elle demeure, cette tension correspondant à la limite supérieure dudit intervalle jusqu'à ce que la tension d'entrée atteigne le maximum, et que, à mesure que la tension d'entrée tombe d'un maximum à un minimum d'une quantité qui sort de l'étendue dudit intervalle, la tension de sortie se règle de ladite valeur constante jusqu'à zéro et demeure ensuite à zéro jusqu'a ce que la tension d'entrée atteigne ce minimum. La réalisation de cette modification par le circuit de la figure 3 est représentée par les deux diagrammes de la figure 4. La courbe supérieure de cette figure représente la tension d'entrée en fonction du temps, alors que la courbe inférieure représente la tension de sortie correspondante, qui est inversée parce que ses valeurs réelles différentes de zéro sont négatives. On peut voir que la courbe inférieure comprend des sections horizontales qui sont alternativement à une tension nulle et à une tension fixe positive, les sections étant jointes par des parties courbes qui sont la reproduction des parties correspondantes de la courbe supérieure. Ainsi, chaque pic de la courbe d'entrée qui s'élève d'au moins une quantité prédéterminée au-dessus du creux précédent est représenté par un pic aplati dans la courbe de sortie, et tous ces pics sont représentés comme ayant la même hauteur quel que soit la tension réelle. On trouve que la modification de la représentation de l'information effectuée de cette manière est très utile pour détecter et interpréter les résultats du fonctionnement sur le terrain du sondeur acoustique. RnVEITDICATIOMS 1. Appareil de sondage acoustique, caractérisé en ce qutil comprend une coupelle réfléchissante de dimension suffisamment petite pour qu'on puisse facilement la porter, des moyens pour amener un signal acoustique pulsé à la coupelle pour le réfléchir dans l'atmosphère, et des moyens pour détecter les signaux réfléchis de l'atmosphère à la coupelle. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coupelle est construite en fibres de verre. 3. Appareil de sondage acoustique, caractérisé en ce quril comprend un rnflecteur parabolique de dimension suffisamment petite pour qu'on puisse facilement le porter, ladite coupelle étant construite en fibres de verre, un transducteur agencé pour diriger des ondes sonores vers la coupelle, des moyens pour émettre des signaux électriques pulsés vers le transducteur par un appareil de commande, ledit appareil de cor,lmande pouvant fonctionner pour recevoir du transducteur des signaux électriques résultant de l'énergie sonore réfléchie reçue par la coupelle et transmise au transducteur, ledit appareil de commande comprenant des moyens pour amplifier et traiter d'autre manière ces signaux. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un cornet exponentiel associé au transducteur et le rendant correspondant à l'atmosphère, l'embouchure du cornet étant disposée au foyer de la coupelle parabolique. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appareil de commande comprend un premier groupe gyrateur avec un circuit de réaction sélecté alternativement pour les modes respectifs et mettant le groupe en état d'agir comme un oscillateur dans le mode transmetteur et comme un amplificateur accordé dans le mode récepteur. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de réaction comporte un potentiomètre variable pour les modes transmetteur et récepteur, et en ce que la fréquence d'oscillation est très proche de la fréquence de l'amplification la plus grande. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de réaction pour le mode transmetteur comprend un agencement de résistances et de diodes qui assure que le circuit est non régénératif lorsque le signal est grand, mais régénératif lorsque le signal est petit. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un second groupe gyrateur de circuit similaire à celui du premier groupe gyrateur, et dont les commandes potentiométriques sont étalonnées sur celles du premier groupe gyrateur. 9. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que appareil de commande comprend un groupe détecteur à grand intervalle, au moins un filtre haute fréquence et un amplificateur logarithmique. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un groupe de couplage courant alternatif/courant continu et un amplificateur sommateur. 11. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appareil de commande comprend un circuit qui établit un intervalle prédéterminé de tensions de limitation et qui produit une tension de sortie variant selon la tension d'entrée dans les limites dudit intervalle, ladite tension de sortie variant à partir de chaque limite selon les variations de la tension d'entrée à partir des maxima et des minima. 12. Procédé d'obtention d'information au sujet de l'atmosphère, caractérisé en ce qu'il consiste à projeter des ondes sonores dans l'atmosphère à partir d'une coupelle réfléchissante, à recevoir les ondes sonores réfléchies à la coupelle et à les réfléchir vers un transducteur de sorte qu'elles sont converties en signaux électriques, et à traiter les signaux reçus afin de fournir un enregistrement lisible de l'information atmosphérique.