Brevet FR2133525A1 — publié le 19721201

L'invention est du domaine des dispositifs optiques pour l'exploitation optique des signaux reçus par une base sonar. Elle concerne un dispositif opérant sur des enregistrements photographiques du signal énris modulé enfréquence et du signal renvoyé par une cible. Elle fournit un ensemble d'informations sur la cible dans les opérations de sondage sous-marin. On connâît des applications des techniques optiques à l'exploitation des signaux sonar modulés en fréquence à l'émission, reçus par une base linéaire à N hydrophones. Ces applications consistent à convertir les signaux électriques, soit à i1 émission, soit à la réception en provenance d'une cible, en signaux optiques au moyen de diodes électroluminescentes, et à enregistrer les signaux optiques ainsi obtenus sur des films en défilement à vitesse bien stabilisée : on transforme ainsi une grandeur électrique variable dans le temps en une grandeur optique variant dans l'espace. Sur un premier film Fl on enregistre la somme des signaux provenant de N réflecteurs ; sur un deuxième film F2 on enregistre un certain nombre de copies du signal émis, par exemple vingt copies correspondant à un échelonnement de vitesse Doppler couvrant la gamme -lOmls - +1 Omis de mètre en mètre. Par des moyens optiques appropriés on illumine par un faisceau de lumière parallèle de forme plate, de faible hauteur ("fente") l'ensemble des deux films superposés l'un derrière l'autre, placés devant une lentille convergente bien corrigée.On obtient dans le plan focal- image de la lentille une tache lumineuse, figure de diffraction qui, résultant de l'addition des densités optiques des deux films fournit le résultat du produit des signaux électriques originaux c'està-dire la fonction de corrélation de ces signaux. La copie du signal émis qui donne la figure de diffraction la plus lumineuse est celle qui correspond à la vitesse radiale de la cible. Dans cette application connue, la source lumineuse est incohérente. Comme la méthode connue, l'invention fait usage d'une lentille corrigée, de deux films superposés l'un derrière l'autre dans son plan focal-objet, et d'un dispositif d'observation, ou d'enregistrement, dans son plan focal-image. Mais les images portées par les films sont toutes différentes de celles de la technique connue, ainsi qu'on va l'exposer ci-dessous. De plus, une autre différence essentielle réside dans la source lumineuse, qui est cohérente. Un premier film porte un enregistrement des signaux reçus en provenance d'une cible de forme allongée, par les N réflecteurs d'une base linéaire ; un deuxième film porte N enregistrements identiques du signal modulé en fréquence émis par une base d'émission . On va montrer qu'en éclairant par une lumiere cohérente lten- semble des deux films superposés au plan focal objet d'une lentille convergente corrigée, on obtient dans le plan focal image des traits brillants, correspondant aux zones à fort pouvoir réfléchissant de la cible, alignés sur une droite dont l'inclinaison dépend de l'orientation de la cible. On peut montrer d'abord que dans les conditions expérimentales indiquées cidessus (mais avec toutefois un émetteur à fréquence fixe), l'image de diffraction, obtenue en réponse à une cible présente une ligne brillante le long d'une droitc dont la pente est tgss = sin &alpha;. a/v b/c où a est l'angle d'incidence de la source, a est la vitesse de défilement du film, v est la vitesse du son dans l'eau b est la distance entre les hydrophones de la base lineaire de réception, c est la distance entre deux pistes consécutives sur le film. Il est possible de restituer, dans une certaine mesure les angles d'incidence réels : en effet on a a si : a/v # c/b c'est-à-dire : Si le rapport vitesse de défilement du film est égal au rapport vitesse de propagation du son distance de deux pistes distance de deux hydrophones . Mais on peut faire aussi ss > > &alpha;, si a/v > > c/b On aura alors sur la photographie du plan focal un faible champ angulaire mais avec des angles fortement amplifiés. La présente invention envisage l'étude d'une cible dans les conditions rappelées ci-dessus, à l'aide d'un signal modulé en fréquence. Supposons d'abord que l'antenne observe une source ponctuelle dans la direction de son axe, qui réfléchit un signal modulé linéairement en fréquence. Le signal ainsi reçu est de la forme cos (#t + mt) Si on forme le produit du signal par une copie décalée d'un temps T, on obtient l'expression cos (#t + mt). cos [#(t - #) + m(t - #)] qui se décompose en une somme de deua termes, un terme de fréquence élevée, et un terme de fréquence basse cos[wT + 2mtT + m.TC (1) le seul auquel nous nous intéressons ci-dessous. Considérons une cible étendue. Un point quelconque de cette cible répond avec un décalage temporel par rapport au point central. Si on suppose de plus que le point central est exactement dans l'axe de l'antenne, ce point quelconque sera vu avec une incidence a. Pour simplifier le calcul, on suppose que l'antenne est formée par une suite continue d'éléments (donc le film par une suite continue de pistes). On peut caractériser la composante basse fréquence du produit signal reçu x copie du signal émis qu'on retrouve-sur l'ensemble du film, défini par ses coordonnées x, y. Le décalage entre le signal reçu sur une piste d'abscisse x et la copie du signal émis est de la forme T =# + x avec = b/c sin&alpha;/v # a la même signification que dans l'expression (1). Le terme 0 mesure la décalage de la réflexion du signal renvoyé par un point quelconque de la cible et par le point central. Quant à la variable t, elle a la valeur y/a.Le terme basse fréquence prend alors la forme cos [(# + x) + 2m#(#+ x) y/a + m (#+ x)] En négllgeant les termes en xy et x, il reste un terme monochromatique qui donne lieu, ddans le plan focal-image, à l'apparition d'un point lumineux de coordonnée : X = 1/K ( # + 2m# ) Y = 1/K 2m#/a où K est une constante = Àf En négligeant, en première approximation, le deuxième terme. de X, il vient X =(K )11 Y = 2mg Or p est proportionnel a sina, c'est-à-dire à l'angle sous lequel on voit le point de la source , par rapport au point central. # est proportionnel au décalage temporel de réflexion du point de la source par rappport au point central. On obtieut donc une image de la source étendue, avec une idée précise de l'intensité des diverses réflexions aux différents points de cible. EXEMPLE D'APPLICATIONS - On suppose que les paramètres ont les valeurs suivantes a) Données relatives à la cible : sous marin de 100m de longueur, vu à une distance de 10 km. b) Données relatives au signal : durée du signal 0,5s, fréquence centrale f = 5000 Hz ; excursion dc fréquence : #f # 400 Hz. c) Données relatives à l'antenne acoustique : vitesse de propagation du son V = 1500 m/s ; nombre d'hydrophones : N = 50 ; écartement des hydrophones b = 15 cm. Données relatives au système optique : écartement des pistes du film c = 40 ; vitesse de défilement du film a = 5 cm/s ; distance focale de la lentille le f = 2m ; longueur d'onde lumineuse # = 0,5 . Les demi-dimensions du rectangle utile sur le film sont alors X = 0,1 cm Y = 1,25 cm. L'image de la cible s'inscrit dans un rectangle ayant pour dimensions 0,12 mn en abscisse - 4,2 mm en ordonnée. Sur la cible, l'examen du pouvoir réflecteur des différents points est très commode, ainsi que l'évolution au cours du temps de l'orientation de la cible par examen de sa longueur apparente. Il peut être plus avantageux d'inscrire l'image dans un carré. On y parviendra en donnant aux paramètres les valeurs suivantes c = 16 ; f = + 55 Hz ; a = 10 cm/s. - On obtient alors une image inscrite dans un carré de 0,3 x o,3 mm, qu'il est facile d'agrandir. Un exemple de dispositif expérimental est représenté schématiquement dans la figure 1 ci-contre. La figure 2 est un détail de la figure 1. FIGURE 1 - 1 est une source de lumière cohérente, par exemple un laser héliumnéon. 2 est une lentille cylindrique qui donne du faisceau laser une forme allongée. 3 est une lentille collimatrice, qui fournit un faisceau de lumière paral- lèle, qui illumine les deux films F1, F2, placés l'un contre l'autre. 4 est une lentille cohérente soigneusement corrigée. Dans son plan focal-image, un écran 5 permet de recevoir la figure de diffraction, qu'on peut photographier par exemple avec un appareil 6. L'image reçue par l'écran 5 se présente, par exemple, sous la forme d'un ensemble de points brillants alignés. Sur un des films on a enregistré N copies du signal modulé en fréquence ; ou bien une seule copie occupant toute la largeur ; sur l'autre film on a enregistré sur N pistes les signaux reçus par les N hydrohones. Les signaux reçus et les copies sont enregistrées avec une mécanique de défilement très stable (vitesse stabilisée à 10 4 en valeur relative). Les films sont développés rapidement grâce au procédé BIlAT. A la lecture on peut ajuster un film par rapport à l'autre le critère de réglage est le positionnement de l'image au centre optique. .FIGURE 2 - La figure 2 est un rabattement de l'écran 5 agrandi, montrant un exemple d'image obtenue. - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour l'exploitation optique du signal réfléchi par une cible sousmarine dc forme allongée, reçu par une base linéaire à N hydrophones, en réponse à un signal sonar modulé en fréquence, comportant des moyens pour illuminer deux films superposés placés devant une lentille convergente et des moyens pour examiner l'image de diffraction dans le plan focal-image de ladite lentille, caractérisé en ce qu'un desdits films porte N copies du signal émis, l'autre film portc les signaux reçus par les N hydrophones, et la source d'illumination est une source cohérente. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fil porte une image unique occupant toute la largeur