Brevet FR2403566A1 — publié le 19790413

La présente invention a pour objet des procédés et dispositifs autodirecteurs fonctionnant par détection acoustique passive. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des dispositifs de guidage,sur une cible bruyante, d'un engin et notamment d'une torpille. Dans la suite de I'exposé, on décrit plus spécialement l'application d'un dispositif selon l'invention à l'autoguidage des torpilles qui en est l'application principale. Il est cependant précisé que ce choix ntentraSne aucune limitation et que le dispositif est protée pour toutes ses applications sur tous les engins utilisant une trajectoire autoguidée sous-marine. (Missiles Merdier, Air-mer, Sol-mer). On sait que le parcours des torpilles ou des missiles destinés à l'attaque d'une cible marine, comporte un parcours initial suivant un cap déterminé, suivi d'une trajectoire autoguidée, qui débute lorsque l'autodirecteur détecte la cible et se termine par ltimpact ou le passage à proximité immédiate des deux mobiles, engin et cible. Les autodirecteurs utilisés sur les torpilles et sur les engins se déplaçant dans l'eau, utilisent les ondes acoustiques. Ils sont dits de type actif lorsqu'ils émettent des ondes sonores de grande puissance et qu'ils utilisent lTécho réfléchi par la cible Ils sont dits de type passif lorsqu'ils utilisent le bruit rayonné par la cible, bruit dû aux hélices, au moteur et aux vibrations de la coque de cette cible. Les autodirecteurs passifs présentent des avantages de discrétion et de simplicité par rapport aux autodirecteurs actifs. Par contre, ils ne sont pas maîtres du signal reçu , qui dépend du type de cible et de sa vitesse, et il est essentiel qu'ils puissent reconnaitre, à une distance suffisante, le bruit utile de la cible, dans le bruit ambiant, nuisible. Cette reconnaissance repose essentiellement sur la différence de nature des deux bruits Le bruit émis par la cible est celui d'une source lointaine, unique. L'onde acoustique produite est assimilable à une onde plane, présentant une direction de propagation. Le bruit ambiant, au contraire, est produit par des sources prochefs, multiples (bruit d'écoulement de l'eau sur les hydrophones, bruit des hélices de la torpille, bruits de coque etc...). C'est un bruit de champ proche, en général isotrope. Les autodirecteurs passifs connus comportent - une antenne réceptrice composée d'hydrophones élémentaires convenablement répartis, à l'avant de la torpille. - un dispositif de formation de voies d'écoute distinctes, en nom bre égal ou supérieur à deux. - un amplificateur par voie d'écoute. - un ou plusieurs dispositifs de comparaison des voies permettant de connaître la présence d'une cible dans une voie, ou le signe du dépointage angulaire de cette cible par rapport à la route de la torpille. - un ou plusieurs dispositifs de décision à seuil, permettant de valider la présence de la cible ou d'autoriser une commande réduisant ou annulant le dépointage torpille-cible. Les dispositifs de comparaison des voies d'écoute couramment utili sés appartiennent à l'une des deux catégories suivantes Première catégorie : Comparaison après détection intégration de l'amplitude des signaux reçus dans deux voies d'écoute, directives et symé- triquement dépointées par rapport à l'axe torpille (scustracteur). Pour un bruit de champ proche, la différence moyenne des amplitudes est théoriquement nulle. Les fluctuations autour de la moyenne nulle, croissent avec le niveau du bruit ambiant. Au contraire, pour un bruit émis par une source lointaine dont la direction n est pas dans le plan de symétrie des voies, la différence moyenne d'amplitude n'est pas nulle et donne le signe du dépointage de la cible. Deuxième catégorie :Corrélation ou comparaison de phase. On utilise alors deux voies d'écoute dont les diagrammes de directivité sont superposableus, mais dont les centres de phases sont espacés, d'une valeur voisine en général d'une demi longueur d'onde. Un corrélateur simple effectue directement le produit des deux signaux. Ce produit a une valeur moyenne non nulle si les signaux proviennent d'une source lointaine, dont la direction correspond à l'axe de symétrie du diagramme de directivité. Un anti-corrélateur effectue directement le produit des deux signaux, déphasés au préalable de 2 Ce produit a une valeur moyenne nulle si les signaux proviennent d'une source lointaine, dont la direction correspond à l'axe de symétrie du diagramme de directivité. Il a une valeur moyenne non nulle si la source est dépointée et son signe donne le signe de dépointage. Un anti-corrélateur peut, en variante, connue sous le nom de procédé somme-différence, utiliser deux voies d'écoute de centres de phases confondus mais avec des diagrammes de directivité différents : l'un ayant un maximum dans l'axe de symétrie de la torpille, l'autre ayant un zéro sur cet axe et deux maximas symétriques par rapport à cet axe. Le produit a les mêmes pro priétés. Pour un bruit de champ proche, les signaux des voies d'écoute sont indépendants et la valeur moyenne du produit de corrélation est nulle. Les fluctuations autour de cette valeur moyenne croissent avec le niveau de bruit ambiant. Une caractéristique commune aux deux catégories de dispositifs de comparaison, en l'état actuel de l'art, est de n'admettre qu'une dynamique utile des signaux d'entrée assez réduite, de l'ordre de 20 décibels. Les circuits de décision, placés en aval des circuits de cowparai- son, comparent la sortie de ces derniers à un seuil fixe et élaborent une cor mande en cas de dépasssement de ce seuil. Le choix de la valeur de ce seuil est rendu difficile par le fait suivant Le niveau du bruit ambiant, et donc de ses fluctuations, n'est pas connu à l'avance et varie en fonction de nombreux paramètres, soit d'une torpille à l'autre (dispersion de fabrication, variation possible 6 db), soit pour une mime torpille, au cours de sa trajectoire, par suite de ses évolutions, en immersion notamment (variation possible 20 db). Si l'on place le seuil jus.te au-dessus des fluctuations correspondant à un bruit ambiant faible, on obtient une bonne portée si le bruit ambiant est faible, mais un taux de fausses alarmes inacceptable quand le bruit ambiant est élevé. Si l'on place le seuil juste au-dessus des fluctuations correspondant à un bruit ambiant élevé,on obtient toujours un taux de fausses alarmes faible, mais la portée est toujours faible, meme lorsque le bruit ambiant est faible. En pratique, on est toujours obligé de se resoudre à ce dernier choix. L'objectif de la présente invention est de remédier à cet inconvénient et de procurer des autodirecteurs passifs dont la sensibilité s 1adapte automatiquement au niveau de bruit ambiant. Dans les procédés selon l'invention comme dans les procédés connus, pour détecter dans liteau, parmi des bruits ambiants de champ proche, la présence d'un bruit émis par une cible lointaine, on capte les ondes acoustiques au moyen d'une antenne, on forme électroniquement plusieurs voies d'écoute distinctes, on amplifie les tensions sortant de chaque voie d'écoute, on compare les tensions amplifiées entre elles puis on compare à un seuil de décision. le résultat de la comparaison des tensions entre elles. La comparaison des tensions peut consister en une différence entre les amplitudes des signaux après détection et intégration de ceux-ci. Elle peut consister également en un produit entre deux signaux stil s'agit d'un dispositif de comparaison de phase. Les procédés selon l'invention ont pour objet un traitement intermédiaire des signaux précédant la comparaison de ceux-ci entre eux et ces procédés s'appliquent donc à tous les systèmes de comparaison des signaux connus. Les procédés selon l'invention se caractérisent par les opérations suivantes - on amplifie les tensions sortant de chaque voie d'écoute au moyen d'un amplificateur à commande automatique de gain. - on produit une tension continue égale à la moyenne des tensions amplifiées et on utilise ladite tension moyenne corse tension pilote commune à tous les amplificateurs à commande automatique de gain. Un autodirecteur passif selon ltinvention comporte, coite les autodirecteurs connus, une antenne acoustique réceptrice, des dispositifs de formation des voies d'écoute, un amplificateur sur chaque voie d'écoute, des dispositifs de comparaison des tensions amplifiées entre elles et des dispositifs de comparaison à un seuil de décision du résultat de la comparaison des tensions amplifiées entre elles. Un autodirecteur passif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte,sur chaque voie d'écoute,un amplificateur à commande automatique de gain et il comporte, en outre, un dispositif élaborant une tension continue égale à la moyenne des tensions amplifiéesg après détection et intégration de celles-ci, dont la sortie est connectée en parallèle sur toutes les entrées des circuits de commande de gain desdits amplificateurs à comman- de automatique de gain. Le résultat de l'invention est un nouvel autodirecteur passif permettant de détecter la présence d'une cible bruyante et le signe du dépointage de la cible par rapport à la direction d'un engin avec un taux de fausses alarmes constant et faible quel que soit le niveau du bruit ambiant. En présence de bruit ambiant elevé, la portée n'est pas différente de celle des autodirecteurs connus. Par contre, en cas de bruit ambiant faible et contrairement à ce qui a lieu avec les autodirecteurs connus, la portée est largement accrue ce qui représente un avantage très important et se traduit par une élévation notable de la portée statistique. La description suivante se réfère amr dessins annexés qui représentent schématiquement des exemples de réalisation sans aucun caractère limitatif. T. figure I est un schéma d'ensemble d'un autodirecteur selon l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'un amplificateur à commande automatique de gain. La figure 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation des circuits spécifiques d'un autodirecteur passif selon l'invention. La figure 1 représente, sous forme de blocs, les fonctions principales d'un autodirecteur passif selon l'invention. Cet autodirecteur,embarqué par exemple sur une torpille, comporte des circuits de détection et des circuits de guidage automatique. Il comporte, de façon connue - une antenne réceptrice 1 composée d'hydrophones élémentaires 2. - un dispositif électronique 3 de formation de n voies d'écou- te. Un tel dispositif est connu de l'homme de l'art et ne sera pas décrit en détail. L'invention est applicable dès que le nombre n est égal ou supérieur à deux. On précise cependant que l'intérêt de l'invention est d'autant plus grand que le nombre de voies est relativement élevé. On choisit par exemple sept voies el à e7. Ce nombre permet d'atteindre des performances élevées et notamment un large champ d'action en direction, un guidage fin sur une cible faiblement dépointée en direction et un guidage fin en plongée. - un amplificateur, Al à A7, par voie d'écoute. - des dispositifs 4, 5, 6 et 7 de comparaison des signaux amplifiés entre eux. Ces dispositifs appartiennent aux deux catégories mentionnées pre- cédemment. Le dispositif 4 compare les amplitudes des tensions amplifiées sl et s2 sur deux voies d'écoute directives, symétriques et très dépointées par rapport à l'axe de l'engin. Le dispositif 5 est un dispositif anti-corrélateur qui effectue le produit entre les signaux s3 et s4 après que le signal s4 a été déphasé de 2 Le dispositif 6 est un dispositif anti-corrélateur qui effectue le produit entre les signaux s4 et s5 après que le signal s4 a été déphasé de #/2. Le dispositif 7 est un dispositif corrélateur qui effectue le produit entre les signaux s6 et s7. - enfin le dispositif comporte des comparateurs D1 à D4 qui comparent le signal sortant des circuits précédents à un seuil de decision. La sortie du circuit D1 agit sur les commandes automatiques en direction pour un guidage grossier. La sortie du circuit D2 agit sur les commandes automatiques en direction pour un guidage fin. La sortie du circuit D3 agit sur les commandes de guidage automatique en plongée. La sortie du circuit D4 indique la présence d'une cible au voisinage de l'axe de l'engin. En dehors des circuits connus qui précèdent, un autodirecteur selon l'invention est caractérisé par le fait que chacun des amplificateurs Al à A7 est un amplificateur à commande automatique de gain et que tous ces amplificateurs sont pilotés par une meme tension pilote P qui est élaborée par un dispositif 8. Le circuit 8 est constitué par n circuits de détection-intégration fournissant chacun une tension continue égale à la valeur moyenne de l'une des tensions sl à s7 et par un circuit totalisateur fournissant une tension continue P égale à la moyenne des n tensions continues fournies par chacun des circuits de détection-intégration. Les amplificateurs Al à A7 à commande automatique de gain utili sés présentent trois zones de fonctionnement distinctes. 1 ) Si P > Pi le gain G reste pratiquement constant et égal à une valeur G1 minima. 20) Si P 30) Si P2 Diverses réalisations connues de l'homme de l'art permettent d'obtenir des amplificateurs présentant ces caractéristiques et pour lesquels, lorsque P2 Par exemple, on sait construire des amplificateurs à contrôle automatique de gain dans lesquels on obtient une réduction de G de 60 déci- bels pour un accroissement de P de 1 décibel seulement. Les amplificateurs utilisés dans un autodirecteur selon l'invention présentent une excellente reproductibilité de la loi G(P), c'est-à-dire de la loi de variation de G en fonction de P. La figure 2 représente un amplificateur A à commande automatique de gain fonctionnant en boucle fermée. e désigne la tension à l'entrée et s la tension à la sortie. La tension pilote P est une tension continue obtenue par détection-intégration, au moyen des circuits 9 et 10 de la tension de sortie s. On a P = k.se. se étant la valeur efficace de s et k un coefficient constant. On supposera, pour simplifier que k = 1. Il résulte des caractéristiques de l'amplificateur exposées ci-dessus que la tension de sortie s est pratiquement indépendante de la tension d'entrée e tant que P2 La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation des circuits qui constituent la nouveauté d'un autodirecteur selon l'invention. On retrouve sur cette figure n voies el à en comportant chacune un amplificateur Ai à An à commande automatique de gain présentant les caractéristiques définies ci-dessus. Tous ces amplificateurs sont pilotes en parallèle par une même tension pilote P. Cette tension pilote est élaborée par un dispositif formé de n dispositifs de détection 9 et d'intégration 10 et par un dispositif totalisateur 11, constitué par exemple par un am- plificateur opérationnel associé à n résistances 12. Chaque intégrateur 10 fournît une tension continue égale à la valeur efficace sej de l'une des tensions de sortie si à sn. L'amplificateur opérationnel 11 associé aux sept résistances 12 fournit la moyenne P des sept tensions continues. sej P #1n Le fonctionnement du dispositif est le suivant dans les diverses situations qui se présentent lors du lancement d'une torpille sur une cible. Tant que la cible est hors de portée, les signaux el à en correspondent uniquement à du bruit ambiant et leur niveau moyen est le même eB dans toutes les voies. Le niveau moyen des sorties SB est le meme dans toutes les voies. et SB = P, P variant de 1 décibel seulement pour une variation de eB = 60 décibels. On peut donc considérer que les sorties sont constantes et le gain G sensiblement proportionnel à B On obtient donc sur chaque voie une tension moyenne sB = G.eB &num;1, c'est-à-dire une tension ayant une valeur moyen- ne sensiblement constante et indépendante du niveau du bruit. La sensibilité de l'autodirecteur se trouve automatiquement adaptée aux conditions de bruit ambiant et ceci quel que soit le type de traitement ultérieur des signaux amplifiés sj. Nous allons comparer maintenant les performances d'un dispositif à comparaison d'amplitudes connu et d'un dispositif selon l'invention dans plusieurs cas de fonctionnement. Premier cas : présence d'une cible lointaine donnant un signal dans une seule voie, toutes les voies recevant, de plus, le même bruit proche de niveau moyen eB. On supposera que la tension pilote P qui, en fait, peut varier entre deux valeurs P1 et P2 reste constante et égale à Po. Cette simplifica- tion ne fait que réduire légèrement les performances. Dans la voie recevant le signal utile eS, ce signal s'ajoute quadratiquement au signal bruit eR et on obtient à l'entrée de cette voie une tension. étant le rapport signal sur bruit à l'entrée de la voie recevant le signal. La tension pilote Po étant constante, le gain va devenir G' La tension de sortie de la voie recevant le signal utile sera S = G'.e' - La tension de sortie des autres voies sera La tension de sortie d'un comparateur effectuant la différence S' - S" sera égale à S'-S" = Si l'on suppose par exemple B = I (Q db) n = 7 Po = IVa on obtient S' - S" = 0,39I V. Si le seuil de décision est égal é 0,35 Po = 0,35 V., on obtient une S commande en sortie du circuit de décision mes, pour un rapport B = 1. Le- dispositif selon l'invention permet d'effectuer une comparaison d'amplitudes pour de faibles rapports B a l'entrée. La tension de sortie du comparateur d'amplitude croît avec le S rapport @/B malgré la réduction de gain. Deuxième cas : Présence d'une cible donnant un signal dans deux voies, toutes les voies recevant de plus un bruit eB et comparaison des signaux par corrélation. On admet pour simplifier que le rapport S/B est le même dans les deux voies. Soit G" le @@@@ des amplificateurs. On a soient S1 (t), S2 (t) les tensions utiles et B1 (t) B2 (t) les tensions de bruit sur les deux voies. Le produit de corrélation est G"2. [S1(t).S2(t)+S1(t).B2(t)+B1(t).S2(t)+B1(t).E2(t)] . Les produits S1.B1 et S2.B2 sont nuls par suite de l'indépendance entre bruit et signal et le produit B1.B2 est nul par suite de l'indépendance entre les bruits des deux voies. Il reste : G"2. S1(t).S2(t) dont la valeur moyenne est en général non nulle et est maxima en pointe de lobe lorsque le coefficient de corrélation des signaux est Égal à 1. On a alors G"2. S(t)2 = G"2. es2 = G"2. Po2. Si S/B = 1 avec n = 7, Po = 1V : 5 10 15 20 25 30 7 7,828 = 0,894 et G"2.es2 = 0,8942 72 = 0,8vu Avec un seuil de décision égal à 0,35 V, on obtient facilement une S commande pour un rapport B = 1. Le système à corrélateur utilisé sur des signaux amplifiés selon l'invention permet donc d'exploiter de faibles rap S ports - à l'entrée et la tension de sortie du corrélateur croit avec le B8 rapport B. Troisième cas : c'est celui d'une cible proche donnant des signaux de niveau élevé dans k voies. Les rapports S/B peuvent être inégaux mais leur moyenne est élevée. On a alot Po = eB.G. (n - k) + k tr1 + (B)2 n Comme B est grand par rapport à 1 Po * eB.G. n - k + k.S/B knS =i?B.G E kS .s - 1,51:B k Po = eB.G E + (B - 1) n R et comme B = eB,PoGnS et G&num;Po.kn.Sî Pour une cible proche, le gain G des amplificateurs à commande automatique de gain est inversement proportionnel au niveau du signal utile S. Le dispositif agit alors comme un compresseur de dynamique du signal et permet de conserver un fonctionnement correct des comparateurs, jusqu'au voisinage de la cible. En résumé, un autodirecteur selon l'invention présente les avantages suivants 10) Il adapte en permanence sa sensibilité aux conditions de bruit ambiant du moment. 20) Il permet d'obtenir des commandes avec des rapports signal sur bruit d'entrée faible, avec les deux types de comparateurs couramment utilisés. 30) Ilpermet de maintenir, au voisinage de la cible, par compression de la dynamique du signal, un fonctionnement correct des deux types de comparateurs. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses parties constitutives de l'autodirecteur qui vient d'être décrit pourront être remplacées par des circuits équivalents, bien connus de lthomme de l'art. REVENDICATIONS I - Procédé pour détecter dans l'eau, parmi des bruits ambiants de champ proche, la présence d'un bruit émis par une cible lointaine suivant le quel on capte les ondes acoustiques au moyen d'une antenne, on forme électroniquement plusieurs voies d'écoute distinctes, on amplifie les tensions sortant de chaque voie d'écoute, oh compare les tensions ampli fiées entre elles et on compare enfin à un seuil de détection la tension résultant de la comparaison des tensions amplifiées entre elles, carac térisé en ce que - on amplifie les tensions sortant de chaque voie d'écoute au moyen dtun amplificateur à commande automatique de gain. - on produit une tension continue égale à la moyenne des tensions ampli fiées après détection et intégration de celles-ci. - on utilise ladite tension moyenne comme tension pilote commune à tous lesdits amplificateurs. 2 - Autodirecteur passif pour détecter la présence d'une cible selon le pro cédé de la revendication 1 comportant une antenne acoustique réceptri ce, des dispositifs de formation de voies d'écoute, un amplificateur sur chaque voie d'écoute, des dispositifs de comparaison des tensions ampli fiées entre elles et des dispositifs de comparaison, à un seuil de déci sion, de la tension résultant de la comparaison des tensions amplifiées entre elles, caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur à commande automatique de gain sur chaque voie d'écoute, et un dispositif, dont la sortie est connectée en parallèle sur les entrées des circuits de comman de de gain desdits amplificateurs, qui élabore une tension continue égale à la moyenne des tensions obtenues par détection-intégration de chaque tensionamplifiée. 3 - Autodirecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, connectés à la sortie de chaque amplificateur à commande automatique de gain un circuit de détection suivi d'un circuit intégrateur et, en outre, un amplificateur opérationnel totalisateur, sur lequel sont connectés les sorties desdits circuits intégrateurs,qui effectue la moyenne des tensions continues fournies par lesdits circuits intégrateurs, la sortie dudit amplificateur opérationnel étant connectée en parallèle sur toutes les entrées des circuits de commande de gain desdits amplificateurs. 4 - Autodirecteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caracté risé en ce que lesdits amplificateurs à commande automatique de gain sont du type dans lequel le gain G décroît très rapidement lorsque la tension pilote augmente à l'intérieur de la plage utile de la tension pilote.