Brevet FR2412853A1 — publié le 19790720

L'invention se rapporte à un dispositif du type sonar pour obtenir une représentation topographique d'une surface immergée ainsi que des couches de terrain sous cette surface. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de sondage acoustique par écho, immergé dans l'eau et tracté derrière un navire, permettant de représenter la topographie du fond de l'eau de part et drautre de la route suivie par le navire tracteur ainsi qu'une coupe sismique des couches souterraines proches du fond de l'eau. Le dispositif de sondage selon l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation de sonogrammes à grande profondeur. Quelle que soit la gamme de profondeur d'utilisation, plusieurs types de sonars peuvent être utilisés selon les nécessités : soit un sonar à haute fréquence ayant une bonne définition mais une courte portée, soit un sonar à basse fréquence possédant une grande portée mais une définition médiocre, soit encore une association des deux types de sonars précédents pour obtenir à la fois une longue portée et une bonne définition. Cette dernière solution présente l'inconvénient d'être conteuse. Dans la plupart des cas, la fréquence d'émission des sonars est choisie de manière à réaliser un compromis entre la portée et la définition acceptables pour les applications dans une gamme de profondeurs moyennes. Un tel sonar est décrit, par exemple, dans le brevet français n" 2 045 218.Si de tels sonars à fréquence moyenne conviennent pour obtenir des sonogrammes à profondeur relativement faible, il n'en ntest pas de même pour l'investigation des fonds à très grande profondeur qui nécessitent une optimisation à la fois des qualités de pénétration et de définition. Le dispositif d'écho-sondage peut être incorporé, par exemple, dans un corps profilé submersible ou "poisson" qui est descendu à grande profondeur. La durée nécessaire à l'immersion du poisson étant parfois de plusieurs heures, il devient nécessaire de disposer de tous les moyens d'investigation pour obtenir de manière continue à la fois une bonne pénétration et une bonne définition. Le dispositif selon l'invention comporte toutes les qualités requises pour remplir les objectifs qu'on peut assigner à un sonar utilisable sur des fonds de grande profondeur. Il permet d'obtenir une représentation topographique d'une surface immergée à partir d'un véhicule se déplaçant par rapport à cette surface. Le dispositif comporte tout d'abord des moyens acoustiques pour déterminer la vitesse de déplacement du véhicule suivant une première direction de déplace- ment. Il est remarquable en ce qu'il comporte en outre au moins un transducteur susceptible d'émettre et de recevoir des ondes acoustiques à deux fréquences différentes, dont le diagramme de directivité comporte un lobe d'émission principal dont l'axe est incliné par rapport à la verticale dans un plan orthogonal à la première direction ainsi qu'un lobe d'émission secondaire orienté sen-siblement suivant la verticale, des moyens d'émission pour commander la transmission par le transducteur d'impulsions acoustiques à deux fréquences différentes, et des moyens de réception pour réaliser, à partir des échos des impulsions transmises, des échogrammes de la surface immergée, latéralement par rapport à la première direction de déplacement du véhicule, pour déterminer la hauteur d'eau sous le véhicule ainsi que sa vitesse de déplacement suivant une direction orthogonale à la première direction. De préférence, le dispositif comporte deux transducteurs de caracté-ristiques sensiblement identiques orientés symétriquement par rapport à la verticale, dans un plan orthogonal à la première direction de déplacement. Les moyens de commande de ces transducteurs sont adaptés, par exemple, à leur transmettre des impulsions dont la fréquence la plus basse est différente pour les deux transducteurs. Des moyens capteurs sont utilisés pour capter les échos d'ondes acoustiques paramétriques de basse fréquence et très pénétrantes résultant de la combinaison des impulsions de fréquences différentes émises par les deux transducteurs. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation particulier non limitatif et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue de profil d'un véhicule ou poisson adapté à contenir le dispositif, - la figure 2 représente schématiquement une vue de face d'un poisson, - la figure 3 représente la disposition d'un axe de référence OM l'intérieur du faisceau d'émission d'un transducteur latéral pour la détermination de la vitesse transversale du véhicule, - la figure 4 représente le schéma synoptique de l'ensemble du dispositif et, - la figure 5 représente schématiquement un modulateur d'émission. Le dispositif selon l'invention est incorporé dans un véhicule mobile constitué, par exemple, par un corps profilé submersible ou poisson 1 d'un type connu (figures 1, 2) comportant des moyens de stabilisation. Ces moyens comportent par exemple une cage tronconique 3 disposée autour de la partie ar rière du poisson et des ailerons 2. Ceux-ci peuvent coopérer par exemple avec des moyens de contrôle non représentés pour faire varier ou stabiliser la profondeur d'mmersion. Le poisson est connecté, par exemple, à un navire tracteur en surface par des câbles conducteurs 4 pour la transmission des données recueillies par échographie et des câbles de traction 5. Le dispositif comporte tout d'abord deux transducteurs latéraux 6 et 7 de forme allongée disposés, par exemple, sur les parois latérales du poisson et également inclinés de part et d'autre de la verticale. A titre d'exémple, les axes des transducteurs 6 et 7 peuvent avantageusement être inclinés de 700 environ par rapport à la verticale. D'une manière plus générale, les transducteurs latéraux 6, 7 et leur implantation dans un plan transversal du poisson sont choisis pour que leurs diagrammes de directivité présentent chacun un lobe secondaire dont l'axe est orienté sensiblement suivant la verticale lorsque le poisson est stabilisé et se déplace à profondeur d'immersion constante.Les lobes principaux des diagrammes de directivité sont orientés suivant l'axe des transducteurs et sont utilisés pour réaliser des échogrammes de la surface du fond de part et d'autre de la trajectoire du poisson. Chaque transducteur 6, 7 présente au moins deux fréquences de résonance, l'une compressionnelle, l'autre transversale. Par construction, ces fréquences sont choisies inégales, l'une f11 étant plus élevée que l'autre fB. La résolution maximale sera obtenue avec la fréquence la plus haute (fH) et la portée la plus grande sera obtenue avec la fréquence la plus basse (fi). A titre d'exemple, on peut choisir les fré quences f B et f H respectivement égales à 20 k H et 70 k H z z La fréquence basse f B sur laquelle sont accordés les deux transducteurs 6,7 étant identiques, on les alimente respectivement avec des signaux impulsionnels de fréquence f'B et f" telles que B fB + hf (1) f" B = B (2) f f est une bande de fréquence de largeur inférieure à la moitié de la bande passante F commune aux transducteurs Les impulsions de fréquence f'B et f" B B B respectivement sont prolongées par des impulsions de fréquence fH. Si la puissance émise suivant les lobes secondaires orientés en direction du fond est suffisante, il se produira une onde acoustique dite paramétrique, se propageant verticalement et dont la fréquence fp est égale à deux fois la largeur de la bande passante des transducteurs.La fréquence fp est très basse, de tordre de 1k Ez, et par conséquent, l'onde acoustique paramétrique est douée d'un pouvoir de pénétration des couches sédimentaires proches de la surface du fond. La directivité de l'émission paramétrique est de l'ordre de celle des lobes secondaires des diagrammes de directivité des transducteurs Un capteur ou hydrophone 8 est disposé à la base du poisson pour recevoir les échos des ondes acoustiques paramétriques. Sa bande passante est accordée sur la fréquence fp. La position du poisson par rapport au fond est déterminée par la détection simultanée des échos reçus sur les transducteurs 6, 7, des impulsions acoustiques transmises suivant les lobes secondaires, comme il sera décrit ul térieurement. La vitesse de déplacement du poisson suivant une direction transversale est obtenue en détectant le glissement de fréquence Doppler affectant les échos des impulsions acoustiques émises par les transducteurs suivant leurs lobes principaux. L'écart de fréquence dû à l'effet Doppler varie avec la direction d'émission et de réception des ondes acoustiques émises. Comme le faisceau émis par chaque transducteur a une ouverture assez importante. une mesure de la vitesse transversale ne peut avoir de signification que si l'on se fixe un axe de référence OM d'inclinaison constante par rapport à la verticale et compris dans l'angle d'ouverture du lobe principal des transducteurs 6 et 7 (figure 3). La mesure de la vitesse est alors effectuée sur les échos reçus suivant cet axe.Si t est l'intervalle de temps de propagation d'impulsions o acoustiques émises suivant la-verticale dans les lobes secondaires des transducteurs sur une distance OZ égale à la hauteur d'eau h sous le polisson, les échos rébus suivant la direction OM des lobes principaux arrivent après un intervalle de temps de propagation t t = o (3 > cosi On choisit de préférence cC égal à 30 . Dans ce cas, l'intervalle t est égal à La mesure de la vitesse de déplacement transversale est alors effectuée sur les échos, reçus après un intervalle de temps t, d'impulsions émises suivant les lobes principaux des transducteurs 6, 7. Pour déterminer également la vitesse de déplacement du poisson suivant son axe longitudinal, le dispositif comporte en outre deux transducteurs supplémentaires 9 et 10 qui sont fixés à la coque du poisson et sont adaptés à rayonner de l'énergie acoustique à la fréquence f H suivant deux directions inclinées symétriquement par rapport à la verticale (figure 1). On détecte le glissement de fréquence Doppler affectant les ondes acoustiques reçues par les transducteurs 9 et 10 et l'on en déduit la vitesse longitudinale. Le dispositif de commande et de controle représenté à la figure 4 comporte plusieurs voies d'émission et de réception associées aux transducteurs. Les transducteurs 6, 7, 9 et 10 sont alimentés respectivement par des moyens d'émission comportant des amplificateurs 11, 12, 13 et 14 recevant d'un modulateur 15 d'émission décrit ci-après des signaux impulsionnels de fréquences respectives (f'Bs fH) d'une part et (f"R, H d'autre part. Les transducteurs latéraux 6 et 7 sont également connectés à des moyens de réception comportant respectivement des amplificateurs 16 et 17, à gain fixe, et des amplificateurs à gain programmé (18, 19) pour amplifier les échos reçus. Les signaux amplifiés issus des amplificateurs 18, 19 sont introduits respectivement dans deux démultiplexeurs 20 et 21 qui séparent les hautes et les basses fréquences. Le démultiplexeur 20 délivre sur deux voies de sortie différentes les signaux reçus par exemple à babord et dont les fréquences correspondent aux fréquences f'B et fH émises. Le démultiplexeur 21 délivre également sur deux sorties différentes les signaux reçus par exemple à tribord et dont les fréquences correspondent aux fréquences f" et fH émises. Les voies de sortie des démultiplexeurs 20 et 21 sont connectées aux canaux. d'un enregistreur multi-traces 22 d'un type connu. Les sorties des amplificateurs 16 et 17 sont connectées à un organe détecteur 23 qui détecte l'arrivée simultanée des premiers échos qui sont ceux des impulsions acoustiques émises suivant les lobes secondaires des transducteurs latéraux 6 et 7. La détection simultanée d'échos sur deux voies de réception différentes permet d'éliminer l'influence des réflexions parasites. Le détecteur 23 ayant détecté un premier écho provenant de la surface du fond engendre une impulsion ICI. Les transducteurs 9 et 10 sont également connectés à des moyens de réception 24 et 25 qui amplifient les échos des impulsions acoustiques de fréquance f transmises vers l'avant et vers l'arrière du poisson. Les moyens de réception 24 et 25 sont connectés respectivement à des éléments 26 et 27 qui mesurent la période des signaux reçus par les transducteurs 9 et 10. Les sorties des démultiplexeurs 20 et 21 produisant des signaux de haute fréquence sont également connectées respectivement à des éléments 23--et 29 qui mesurent la période des signaux reçus par des transducteurs latéraux 4 et 7. Les sorties des éléments de mesure 26, 27, 28 et 29 sont connectées à un calculateur 30. Celui-ci compare les périodes des signaux reçus sur les deux voies 9 et 10 modifiées par effet Doppler avec la période des signaux correspondant émis et en déduit les vitesses de déplacement V du poisson par x rapport à la surface du fond suivant sa direction principale de déplacement. L'impulsion ICI émise par l'organe détecteur 23 à l'arrivée des premiers échos du fond, est transmise au calculateur 30 qui calcule également la durée de propagation des signaux acoustiques et par conséquent la hauteur d'eau sous le poisson ainsi que la durée des intervalles de temps t (cf. relation 3). A l'issue de cet intervalle de temps, il compare les périodes des signaux mesurées par les éléments de mesure 28 et 29 avec celle des signaux émis et en déduit la vitesse transversale V du poisson par rapport à la surface du y fond. Le calculateur est du type numérique et effectue ses calculs en utilisant une horloge interne produisant des impulsions H de très haute fréquence définissant une échelle de temps. Les impulsions H sont utilisées comme base de temps par les éléments de mesure 26, 27, 28 et 29 pour déterminer la période des signaux reçus. L'hydrophone 8 est connecté à des moyens de réception comportant un amplificateur à gain fixe 31 et un amplificateur à gain programmé 32 dont la sortie est connectée à une voie d'entrée de l'enregistreur 22. La loi de pra- gramme des gains des amplificateurs 18, 19 et 32 ainsi que les impulsions de commande du modulateur 15 sont pré-enregistrée8 dans le calculateur 30 et délivrées à chaque cycle d'émission-réception par celui-ci. Le modulateur d'émission 30 représente à la figure 5 comporte deux sous-ensembles identiques, comportant chacun une mémoire (33, 34) adaptée à fournir en séquence à un codeur digital-analogique (43, 44) une succession de valeurs mémorisées, sur commande d'un signal externe. Les valeurs.mémorisées sont en nombre n et correspondent à n échantillons successifs de la fonction sinus répartis sur la durée d'un cycle de 2 T radians. Aux adresses O et n - 1 de chaque mémoire est inscrite la valeur zéro. A partir des n valeurs numériques contenues dans chaque mémoire, le codeur digital-analogique (43, 44) reconstitue une fonction sinusotdale dont la fréquence dépend de la période du signal de commande externe qui lit séquentiellement chaque mémoire.A titre 9 d'exemple, le nombre n peut être choisi égal à 512 > c'est-à-dire à 29. Le signal de commande externe ou adressage est fourni aux mémoires 33 et 34 respectivement par deux compteurs 3 et 36 modulo n, c'est-à-dire adaptés à revenir à la valeur zéro lorsqu'ils ont compté n impulsions. Les compteurs 35 et 36 reçoivent sur leurs entrées de comptage des impulsions délivrées respectivement par deux compteurs 37 et 38 , respectivement modulo N et N', c'est-à-dire adaptés à revenir à la valeur zéro lorsqu'ils ont compté respectivement N et N' impulsions qui leur sont délivrées par une horloge 45. Celle-ci produit des impulsions de fréquence H1 et 112 qui peuvent être introduits sur les entrées de comptage des compteurs 37 et 38 à travers des commutateurs IV et des interrupteurs IT électroniques représentés schématiquement sur la figure. Le dispositif comporte également un compteur de périodes 39 comptant le nombre de passages à zéro successifs du compteur 35. Un décodeur 40 est adapté à produire une impulsion lorsque le nombre contenu dans le compteur de périodes 39 atteint la valeur N1 et lorsque ce nombre atteint la valeur Ni + N3. Un premier basculeur bistable 41 peut être actionné par un signal d'initialisation externe TB et par l'impulsion correspondant à Nl,produite par le décodeur 40. Le signal T B est également utilisé pour remettre à zéro les compteurs 35, 36, 37, 38 et 39. Une sortie du premier basculeur bistable 41 fournit un signal qui commande les commutateurs IV et est connectée à une entrée de sélection du compteur 37. Cette commande est utilisée pour modifier la valeur maximale entraînant sa remise à zéro et la faire passer de N à N'. Enfin, un second basculeur bistable 42, actionné soit par le signal d'initialisation TB, soit par l'impulsion correspondant à N1 + N3 engendrée par le décodeur 40 > produit sur une sortie un signal de commande des interrup- teurs IT. Le modulateur d'émission fonctionne de la manière suivante L'instant de début d'émission des impulsions acoustiques transmises est défini par l'impulsion TB émise par l'enregistreur 22 (figure 4) qui initialise les compteurs 35, 36, 37, 38 et 39 et actionne les basculeurs 41 et 42 ce qui a pour effet de fermer les interrupteurs IT et de commuter les commutateurs IV sur les sorties de l'horloge 45 produisant des impulsions de fréquence H1. De ce fait, les compteurs 35 et 36 reçoivent des impulsions de fréquences respectives H1/N et H1/N' et délivrent aux memes fréquences des impulsions qui actionné nent les deux sous-ensembles (33, 43) et (34, 44). Les passages à zéro des compteurs 35 et 36 se produisent avec des fréquences respectives H1/nH et H1/nN, correspondant respectivement aux fréquences B et f" (relations 1 et 2). Après un nombre N1 de demi-périodes, compté B par le décodeur 40, les entrées des compteurs 37 et 38 sont connectées aux sorties de l'horloge 45 produisant des impulsions d'horloge de fréquence H2 par l'intermédiaire des commutateurs IV La fréquence f"B est choisie de telle sorte que, pendant l'intervalle,de de temps équivalent à N1 demi-sinusotdes à fréquence f'Bs N2 demi-sinusotdes à fréquence f" B soient délivrées par le décodeur 44, c'est-à-dire4 que la relation N1 = N2 F1 F équivalente à : N2 = N1 x N (4) ' soit vérifiée. L'impulsion correspondant à N1 fournie, par le décodeur 40, a également pour effet, par l'intermédiaire du basculeur bistable 41 > faire passer de N à N' le nombre d'impulsions assurant la remise à zéro du compteur 37. Les deux compteurs 37 et 38 vont donc fournir aux compteurs 35 et 36 H des impulsions à une fréquence identique H2/N@. La fréquence des remises à zéro des deux compteurs 35 et 36 constitue la fréquence f (figure 2). Le processus 11 précédent de formation de sinusotdes se reproduit sur les deux sous-ensembles (33, 43) et (34, 44) jusqutà ce que le décompteur 40 ait enregistré un nombre (N1 + N3) de demi-périodes et produise une impulsion qui ouvre les interrupteurs IT et interrompe tout comptage jusqu'à l'arrivée de l'impulsion suivante d'initialisation TB. I1 résulte de chaque séquence de fonctionnement du modulateur d'émission que les décodeurs digitaux analogiques 43 et 44 produisent, à chaque cycle d'émission-réceptions l'un une impulsion de largeur Q constituée d'un signal de fréquence f'B auquel succède un signal de fréquence fez l'autre une impulsion également de largeur e (cf. relations 3, 4) constituée d'un signal de fréquence f"B auquel succède un signal de fréquence fH. Dans le mode de réalisation décrit, le dispositif est incorporé dans un poisson tracté en immersion par un navire. Onne sortirait pas du cadre de la présente invention en incorporant le dispositif directement dans un navire de surface ou un sous-marin. REVENDICATIONS 1. - Dispositif du type sonar disposé dans un véhicule déplaçable par rapport à une surface immergée, comportant des moyens acoustiques pour déterminer la vitesse de déplacement du véhicule suivant une première direction de déplacement, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transducteur susceptible d'émettre et de recevoir des ondes acoustiques à deux fréquences différentes > le diagramme de directivité de ce transducteur comporte un lobe d'émission principal dont l'axe est incliné par rapport à la verticale dans un plan orthogonal à la première direction ainsi qu'un lobe d'émission secondaire orienté sensiblement suivant la verticale, des moyens d'émission pour commander la transmission par le transducteur d'impulsions acoustiques à deux fréquences différentes, et des moyens de réception pour réaliser, à partir des échos des impulsions transmises, des échogrammes de la surface immergée latéralement par rapport à la première direction de déplacement du véhicule, pour déterminer la hauteur d'eau sous le véhicule ainsi que sa vitesse de déplacement suivant une direction orthogonale à la première direction. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux transducteurs de caractéristiques sensiblement identiques orientés symétriquement par rapport à la verticale dans un plan orthogonal à la première direction de déplacement. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'émission sont adaptés à transmettre aux deux transducteurs des impulsions dont la fréquence la plus basse est différente pour les deux transducteurs, l'écart entre les fréquences les plus basses des signaux de commande respectifs des transducteurs étant sensiblement égal au double de la bande passante des transducteurs pour les fréquences les plus basses, et en ce qu'il comporte un capteur orienté sensiblement suivant la verticale et adapté à recevoir les échos d'ondes paramétriques résultant de la combinaison des impulsions de fréquences différentes. 4. - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent un modulateur constitué par des moyens de décodage pour reconstituer des signaux analogiques à partir de valeurs numérisées dans des moyens de mémorisation et des moyens de commande numériques pour commander l'extraction sous forme séquentielle des valeurs numérisées dans les moyens de mémorisation. 5. - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent un modulateur constitué par deux éléments de décodage pour reconstituer des signaux analogiques à partir de valeurs mémorisées dans deux organes de mémorisation et des moyens de commande numériques pour commander l'extraction sous forme séquentielle des valeurs numérisées respectivement dans les deux organes de mémorisation. 6. - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens de commande numériques sont connectés à un élément-horloge adapté à produire sur deux sorties différentes des impulsions définissant deux échelles de temps différentes et comportent des éléments de commutation, des interrupteurs, un premier système de compteurs pour diviser la fréquence des impulsions d'horloge, par un nombre prédéterminé et un second système de compteurs pour diviser la fréquence des impulsions d'horloge successivement par un premier et un second nombres prédéterminés, les impulsions issues des deux -systèmes de compteurs étant adaptés à commander respectivement les deux organes de mémorisation. 7. - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens commandés par des impulsions issues drun des deux systèmes de compteurs, pour actionner les éléments de commutation et commuter les entrées des deux systèmes de compteurs successivement sur les deux sorties de l1élément- horloge et pour actionner les interrupteurs. 8. - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de réception comportent des moyens de démultiplexage pour séparer les signaux de fréquences différentes reçus par les deux transducteurs,des moyens d'enregistrement desdits signaux reçus, des moyens pour détecter l'arrivée des premiers échos provenant de la surface immergée, des moyens pour mesurer la période de signaux reçus dans les lobes principaux des diagrammes de directivité des transducteurs après un intervalle de temps de propagation proportionnel à celui des premiers échos et un organe de calcul pour déterminer la vitesse de déplacement suivant ladite direction orthogonale. 9. - Dispositif selon la revendication 8 dans lequel les moyens acoustiques comportent deux organes émetteurs-récepteurs d'impulsions acoustiques dont les axes d'émission principaux sont dans un plan passant par la première direction de déplacement et inclinés par rapport à la verticale, caractérisé en ce que les moyens émetteurs sont alimentés par des impulsions dont la fréquence est la plus élevée des fréquences produites par les moyens d'émission. et en ce que les moyens de réception comportent des éléments pour mesurer la période des signaux reçus par les deux organes émetteurs-récepteurs lesdits éléments étant connectés à l'organe de calcul. 10. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit véhicule est tracté en immersion par un navire. 11. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ledit véhicule est constitué par un navire sous-marin.