Brevet FR2412080A1 — publié le 19790713

La présente invention est relative à la détection d'échos d'un rayonnement et concerne, plus particulièrement, les systèmes sonar de surveillance par voies préformées, utilisés notamment dans la recherche d'objets immergés ou de relevés cartographiques des fonds marins. Un dispositif connu de détection d'objets par sonar explorant des secteurs angulaires est décrit par exemple dans le brevet français enregistré sous le NO 73 29806 et publié sous le NO 2 241 078 I1 est connu que les systèmes sonar permettent de reconnaitre le fond de la mer et de détecter les objets reposant sur/ou flottant prés du fond. Ces sonars ont une antenne d'émission d'impulsions acoustiques et une antenne réceptrice des échos renvoyés par lesdits objets. Les antennes émettrices et réceptrices comportent des rangées de réseaux de transducteurs électroacoustiques utilisés en hydrophones et/ou en projecteurs. Le système de;réception comporte un dispositif de formation de voies, chacune correspondant à un angle de surveillance d'échos autour d'une direction donnée. Généralement la visualisation du signal reçu se fait sur l'écran d'un tube cathodique. La préformation d'une voie autour d'une direction est obtenue à l'aide des N signaux électriques des N transducteurs, ces signaux étant déphasés de façon convenable et ensuite additionnés. Pour une voie surveillée particulière, la largeur angulaire de réception autour de a direction de réception choisie est proportionnelle au quotient de la longueur d'onde k du signal sonore dans le milieu-de propagation sur la longueur totale L du réseau d 'hydrophones I1 est connu d'autre part que si le pas des transducteurs est supérieur à X, chaque voie préformée correspond non plus à une direction, mais à plusieurs directions dont l'une est appelé principale et les autres "images". Les écarts angulaires entre deux directions d'observation simultanée parvent etre calculés par la relation Sin #e - Sin #e = k #/p (1) où k est un nombre entier et p le pas des transducteurs, em et e e sont les angles des deux directions respectivement avec la normale à l'antenne. Dans la suite pour simplifier l'exposé, on supposera que les angles 02 et em sont suffisammant petits, pour que l'on puisse remplacer les sinus dans la formule (1) par les angles. Dans les dispositions suivant l'art connu le pas des transducteurs p est inférieur à la longueur d'onde X, il résulte alors immédiatement de la formule (1), que k ne peut etre supérieur ou égal à 1 et il n'y a qu'une seule direction de réception pour une voie préformée donnée. Lorsque k = 0 on dit que le diagramme correspondant est le lobe principal et lorsque k 1, le ou les diagrammes correspondants est ou sont les lobes images. L'inconvénient d'un tel dispositif est le nombre élevé de transducteurs et la grande complexité de 11 électronique associé, donc d'un coût élevé pour assurer la surveillance. La présente invention réduit cet inconvénient du fait qu'à performances égales, pour une meme précision angulaire et un meme secteur angulaire surveillé, le nombre de transducteurs est divisé par un nombre q, q étant supérieur ou égal à 2. Dans son principe, l'invention fait appel à une antenne réceptrice avec dos transducteurs disposés suivant un pas supérieur a' la longueur d'onde. De ce fait, les voies préformées sont multiples, c'est-à-dire que dans la formule (1), k peut être supérieur à 1 est que l'on reçoit dans une même voie les signaux correspondant à plusieurs directions d'observation. Mais 1'ambiguité qui en résulte sur la provenance d'un écho reçu est levée par la commande de la direction d'émission. L'avantage de la présente invention est une réduction considérable des éléments du réseau de l'antenna, ainsi que de ceux de l'électronique associée, d'où une forte diminution du prix du système sonar. Plus précisément l'invention concerne un système de détection d'ondes avec voies préformées, notamment sonar pour la surveillance d'un secteur angulaire, comportant un réseau de transducteurs susceptible d'émettre des ondes dans ledit secteur, un réseau de transducteurs capables de recevoir les ondes réfléchies dans ce secteur par des objets å détecter, des déphaseurs et des sommateurs connectés aux transducteurs de réception, une voie préformée correspondant à une direction pour laquelle il y a compensation des déphasages subis par l'onde réfléchie provenant de cette direction, caractérisé par le fait que l'écart linéaire entre les transducteurs de réception est choisi supérieur à la longueur d'onde Xdans le milieu de propagation, qu'à chaque voie préformée il correspond une réception dans q directions différentes simulta néant, déterminant q sous-secteurs avec q supérieur ou égal à deux et un écart angulaire entre deux directions simultanées de surveillance de l'ordre de d/q où d représente le secteur angulaire surveillance tqtal, la discrimination entre les voies de réception simultanée, se faisant par la commande séquentielle de q bases d'émission de façon telle que l'ouverture angulaire à 3dB du faisceau émis est de l'ordre de grandeur de l'écart angulaire d/q entre deux directions simultanées de surveillance adjacentes. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures qui représentent - la figure 1, un schéma synoptique d'un sonar de surveillance suivant l'art connu - la figure 2, un schéma du dispositif de surveillance suivant 1 r invention , - la figure 3, les diagrammes de réception des différentes voies suivant l'art connu ; - la figure 4a, les diagrammes de réception des faisceaux pour les voies suivant l'invention ; - la figure 4b, une variante du diagramme de la figure 4a1 et - les figures 5a, 5b, 5c et 5d, différents modes de fonctionnement des séquences émission-réception. La figure 1 montre un schéma de sonar à voies préformées suivant l'art connu. On a représenté le dispositif de réception 1000 et le dispositif d'émission 2000. Al, A2, A3...AN sont le N transducteurs électro-acoustiques, dessinés sur une ligne droite mais qui peuvent être disposés également sur une ligne courbe. Les signaux électriques reçlls par les transducteurs de la partie réception îoeo sont appliqués a' des éléments de déphasages BI, B2, B3. BN. Chacun des éléments de déphasage B a M sorties correspondant à M déphasages possibles. C'est ainsi que l'élément de déphasage B3 par exemple a les sorties 31, 32, 33. et 3M. Les signaux provenant des sorties 11, 21, 31.. NI sont appliqués à un sommateur Cl, qui donne le signal de la voie préformée Vl. I1 en est de même pour les autres voies V2, V3...VM. Ces voies préformées correspondent a' une direction telle que les déphasages ds l'onde réfléchie provenant de cette direction pour les différents transducteurs sont compenses. La largeur angulaire à 3dB, a, du diagramme de rayonnement à la réception exprimée en radians est d'environ /L où L est la longueur totale du réseau. La distance p entre les transducteurs est inférieure a' ; on prend dans un exemple p = Le système nécessite pour M voies, N transducteurs, N éléments de déphasage avec chacun M sorties et M sommateurs. Si a est imposé, on peut trouver N dans l'exemple choisi avec p = o,sX, N = L/0,8 d'où encore N = l/0,8a. De la sorte, pour surveiller avec des voies préformées de 0,2 degré de largeur angulaire ou 0,0034 radians, il faut N = 356 transducteurs. Dans ce cas si l'on a 100 voies préformées, il faudra 356 éléments de déphasage ayant chacun îoe sorties et 100 sommateurs. Est également représenté, en bas de la figure I, le dispositif d'émission 2000 comprenant la commande 4 de l'émetteur 5 du système sonar. La largeur angulaire du faisceau d'émission est suffisante pour couvrir tout le secteur angulaire de réception i. La figure 2 montre le dispositif suivant l'invention. Les transducteurs sont disposés suivant des lignes qui peuvent etre courbes. Le pas des transducteurs p' est suivant 11 invention plus grand que la longueur d'onde (p' > A). Le nombre des transducteurs R est inférieur au nombre N de la figure 1. Les signaux électriques fournis par les transducteurs Dl, D2. . DR sont appliqués aux éléments de déphasage Gl, G2...GR. L'élément de déphasage G1 a S sorties 101, 102, 103. .105 , l'élément G2 a également S sorties 201, 202, 203...20S, il en est de même pour tous les autres éléments de déphasage. Le sommateur F1 additionne les signaux déphasés sortant de 101, 201. ROI et le sommateur F2 additionne les signaux issus de 102, 202...R02 et il en est de meme pour les autre sommateurs. Les signaux après addition correspondent aux voies préformées de multiplicité q. En effet dans ce cas, k de la formule (1) peut prendre q' valeurs. C'est ainsi qu'a' la sortie de F1 on a les voies Wll, W12...WlQ, à la sortie de F2 on a les voies W21, W22...W2Q et ainsi de suite. Cependant, toutes les possibilités de la multiplicité q' ne sont pas forcément utilisées mais seulement un nombre q (q#q') soit parce qu'elles ne correspondent pas avec le secteur angulaire &alpha; surveillé, soit parce que l'amplitude de certains secteurs, modulée par la directivité élémentaire des transducteurs, est insuffisante pour être exploitée. L'écart angulaire b entre deux directions de surveillance simultanée de secteurs adjacents par exemple W23 et W24 est donné sensiblement par l'expression d'après la relation (1) b = #/p' (2) La largeur angulaire c à 3dB d'une voie est encore donnée par l'expression c = # /L où L est encore la longueur de réseau de transducteur. On prend par exemple, p' = 6# et c = 0,2 degré ou 0,0034 radians, ce qui correspond à un nombre de transducteurs R tel que R = L/p' = 1/6c = 47 Dans cet exemple, l'écart angulaire b est environ de 0,17 radians ou 100. En prenant q = 2 on pourrait surveiller un secteur de 200 avec seulement 50 voies formées mais en réalité avec 100 voies de surveillance. Sur la figure 2 on a représenté en plus de la partie réception 3000, la partie émission 4000. Un système de commande 27 commute la source d'impulsions 26 sur une des bases d'émissions El, E2. . .EQ. Ces bases d'émissions se composent de transducteurs placés préférentiellement sur un cercle, chaque base particulière correspondant aux transducteurs d'une portion du cercle. Les directions de radiation d'une base d'émission sont sensiblement les normales à la partion de cercle. Les signaux issus de Fl, F2...FS sont aiguillés par un dispositif non représenté sur la figure 2 vers le système de visualisation des voies, en synchronisme avec le commutateur 27. C'est ainsi que si E3 émet, les signaux de F2 sont aiguilles vers la voie W23. La figure 3 montre les diagrammes de réception pour 8 voies dans le secteur angulaire 2, suivant l'art connu. La figure 4 montre pour q = 2, les diagrammes de réception suivant l'invention. Dans ce cas la réception se fait simultanément dans les voies 1 et-l', 2 et 2' -etc. L'écart entre deux voies multiples adjacentes est Ot/q. La figure 4b montre les memes voies formées que sur la figure 4a, mais d'amplitude modulée par la directivité élémentaire des transducteurs, lorsque la largeur de chaque transducteur 1 est tel que 1 > 1/2 par exemple 1 Â. Cette disposition permet de diminuer le bruit venant des voies "images" formées et non utilisées. Sur les figures 4a et 4b on a représenté le cas d'une multiplicité de q'=7 avec une utilisation d'une multiplicité q=2. Pour éviter soit des ambiguïtés soit une zone aveugle provenant du- fait que l'émetteur n'a pas un diagramme de rayonnement couvrant juste un sous-secteur d'angle o(/q, on préfère un dispositif pour lequel le secteur de surveillance est divisé en /2q parties couvert séquentiellement par 2g émetteurs. Les figures Sa, 5b, 5c et 5d montrent les séquences émission réception suivant le montage preféré. Sur le dessin on a pris le cas où q = 2 et l'on a divise donc le secteur à surveiller en 4 parties SI, S1', S2 et S2'. Asnhaque voie dans Sl correspond une voie simultanée dans 52, il en est de même pour S1' et S2'. Sur la figure S on a montré pour les séquences émission et réception pour l'exemple q - 2. Sur la figure 5a2 la base d'émission 51 est commutée, le sous-secteur de l'émission S1 est montré en 5al et la réception se fait dans les sous-secteurs S1 et 52. Les figures 5bl, 5b2, 5c1, 5c2, (5dl et 5d2 montrent l'émission réception pour l'émission des bases 51', 52 et 52'. Grâce à la connaissance du sous-secteur de l'émission il n'y a pas d'ambiguïté sur la provenance d'un écho, même si l'émission déborde dans le sous-secteur adjacent. C'est ainsi que si l'on adresse la base 52 (figures 5cl et 5c2) et si l'émission déborde dans les sous-secteurs S1' et S2' un écho dans lesdits sous-secteurs est pris en compte-a,ue quand le commutateur est sur la position 51' et 52'. On peut noter les caractéristiques d'une réalisation préférée d'un système sonar haute fréquence selon l'invention utilisé pour la recherche d'objets immergés et pour la cartographie des fonds - Nombre de transducteurs ........................................... 50 - Largeur des transducteurs .......................................... 1#;; - Pas des transducteurs .................................................6# - Largeur angulaire des voies formées.......................... 0,2 - Nombre de voies formées électroniquement - 50 - Nombre de voies utilisées, formées par les lobes principaux 50 - Nombre de voies utilisées, formées par les lobes "images". 50 (une partie seulement des voies "images" est utilisée) - Secteur couvert 2 x 100 en 4 secteurs de 5 (10 avec les lobes principaux et 100 avec les lobes "images") - Nombre de transducteurs d'émission, .............. 4 - Largeur couverte par les transducteurs d'émission. 50 - Emission séquentielle sur les 4 secteurs de 50. Un sonar conventionnel possédant les mmes performances aurait nécessité - nombre de transducteurs et dispositifs associés = 300 - nombre de voies préformées et dispositifs associés = 200. La présente invention s'applique égalemant à la technique radar et plus particulièrement aux antennes à balayage électronique. Dans ce cas l'antenne se compose d'un réseau d'éléments d'antenne, tels des cornets, suivi de moyens de déphasage. Il est possible également d'avoir des voies préformées et de réduire le nombre d'éléments en levant 1'ambigulté par l'émission. REVENDICATIONS 1. Système de détection d'ondes avec voies préformées, notamment sonar pour la surveillance d'un secteur angulaire, comportant un réseau de transducteurs susceptibles d'émettre des ondes dans ledit secteur, un réseau de transducteurs capables de recevoir les ondes réfléchies dans ce secteur par des objets à détecter, des déphaseurs et des sommateurs connectés aux transducteurs de réception, une voie préformée correspondant à une direction pour laquelle il y a compensation des déphasages subis par l'onde réfléchie provenant de cette direction, caractérisé par le fait que l'écart linéaire entre les transducteurs de réception est choisi supérieur à la longueur d'onde X dans le milieu de propagation, qu a chaque voie préformée il correspond une réception dans q directions différentes simultanément déterminant q soussecteurs avec q supérieur ou égal à deux, et un écart angulaire entre deux directions simultanées de surveillance de l'ordre de /g où ct représente le secteur angulaire surveillance total, la discrimination entre les voies de réception simultanées, se faisant par la commande séquentielle de q bases d'émission de façon telle que l'ouverture angulaire du faisceau émis à 3dB est de l'ordre de grandeur de l'écart angulaire ou /q entre deux directions simultanées de surveillance adjacentes. 2. Système de détection suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque sous-secteur angulaire est divisé en deux parties déterminant une ouverture angulaire à 3dB du faisceau d'émission de l'ordre de d/2q, ledit faisceau d'émission explorant séquentiellement la totalité du secteur angulaire de surveillance, les voies préformées à la réception étant activées successivement par moitié, dans les directions correspondant a' celle d'émission. 3. Système de surveillance dans un secteur angulaire de largeur d suivant les revendications I et 2, caractérisé par le fait que la longueur de chaque transducteur est choisie telle que le diagramme de rayonnement d'un transducteur a une largeur angulaire à 3dB de lrordre de et et que seules les voies multiples dans ledit secteur angulaire sont utilisées. 4. Système de surveillance d'un secteur angulaire ol comportant un système de détection d'ondes, suivant la revendication 2, ce système de surveillance comprenant un générateur d'impulsions, des transducteurs de réception, des déphaseurs et des sommateurs pour l'obtention de voies préformées caractérisé par le fait que le pas des transducteurs est supérieur à la longueur d'onde, que le générateur d'impulsions est commuté séquentiellement à 2q bases d'émission disposés préférentiellement sur un cercle couvrant chacune un sous-secteur de l'ordre de O(/2q ; les signaux des sommateurs sont aiguillés en synchronisme avec la commutation des bases d'émission vers celles des q voies multiples, qui correspondent au sous-secteur irradié. 5. Système suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les ondes sont électromagnétiques et l'antenne est à réseau du type balayage électronique.