Brevet FR2509869A1 — publié le 19830121

Sonar La présente invention se rapporte aux installations de sondage par échos ou sonar et plus particulièrement à celles permettant de repérer des objets enfouis peu profondément dans le fond de la mer. On connaît des sonars à balayage latéral permettant de visua- liser le fond de la mer et par conséquent les objets posés sur celui- ci Ces sonars à balayage latéral procèdent à l'analyse du fond marin en le décomposant en bandes étroites juxtaposées correspondant aux lignes de balayage d'une image et en déduisant le profil de chacune de ces bandes du signal d'écho qu'elle renvoie en réponse à une impulsion acoustique d'interrogation Ils comportent pour ce faire un émetteur d'impulsions acoustiques, un récepteur d'énergie acous- tique et un dispositif de traitement de signaux engendrant une image du fond à partir des signaux de l'émetteur et du récepteur l'émet- teur et le récepteur sont embarqués à bord d'un véhicule dit poisson se déplaçant à une vitesse et à une hauteur constante au-dessus du fond marin L'émetteur alimente deux antennes émettrices qui sont placées symétriquement dans les flancs du poisson et qui présentent chacune un lobe principal de rayonnement dirigé latéralement vers le fond marin, étroit dans la direction de déplacement du poisson et large transversalement à cette direction Grâce à ces deux antennes émettrices chaque impulsion acoustique d'interrogation insonifie une étroite bande du fond marin perpendiculaire à la direction de dépla- cement du poisson; elle atteint d'abord cette bande dans la zone la plus proche à la verticale du poisson puis dans les zones de plus en plus éloignées de sorte qu'elle la balaye depuis son point milieu en direction de ses deux extrémités Le mouvement du poisson translate, entre deux impulsions d'interrogation, l'étroite bande du fond marin susceptible d'être insonifiée et permet la couverture d'un large couloir du fond marin survolé par le poisson Le récepteur est relié à deux antennes réceptrices analogues aux antennes émettrices et orientées vers l'étroite bande du fond marin insonifiée par l'émet- teur Chaque antenne réceptrice est parfois une antenne dite à fais- ceaux multiples formés d'un alignement d'antennes élémentaires per- mettant de séparer, par traitement des signaux des antennes élémen- -2- taires, les échos renvoyés par des zones longitudinales de l'étroite bande insonifiée qui peut alors être élargie afin d'autoriser une plus grande vitesse pour le poisson. Pour obtenir une image du fond avec une bonne résolution il est nécessaire que le système d'antennes ait une ouverture très étroite dans la direction de déplacement du poisson ce qui conduit, pour des raisons de dimensionnement des antennes, à utiliser des impulsions acoustiques d'interrogation de fréquence élevée, de l'ordre du mégahertzs, qui ne pénètrent pratiquement pas dans le sol marin et qui de ce fait sont inadaptées à la détection d'objets enfouis En outre les faisceaux en nappe des différentes antennes ne permettent pas de minimiser la réverbération du sol qui se présente comme un effet parasite pour la détection des objets enfouis. La présente invention a pour but le repérage d'objets enfouis peu profondément dans le fond marin. Elle a pour objet un sonar comportant: un émetteur d'impulsions acoustiques muni d'au moins une antenne paramétrique à formation de voies et d'un dispositif de pointage électronique de l'antenne paramétrique assurant le balayage desdites voies, ladite antenne paramétrique étant montée dans un véhicule se déplacant au-dessus du fond marin et insonifiant des zones de ce dernier, un récepteur d'énergie acoustique équipé d'au moins une antenne de réception montée dans ledit véhicule et pointée vers les zones du fond marin insonifiées par ladite antenne paramétrique et un dispositif de traitement de signaux engendrant une image des objets enfouis dans le fond marin. Le système Sonar selon l'invention peut présenter en outre l'une des caractéristiques suivantes. Les antennes sont pointées vers le fond avec un angle d'inci- dence inférieur à 700 pour éviter les échos parasites dus à la réverbération spéculaire du fond. Chaque antenne paramétrique à formation de voies à une direc- tion de pointage maintenue constamment dans un plan incliné qui intercepte le fond marin transversalement à la direction de dépla- -3- cement du véhicule en avant ou en arrière de ce dernier Cela permet d'avoir une couverture complète du fond, à l'aplomb du véhicule, tout en respectant la condition précédente sur l'angle d'incidence. Selon un mode préféré de réalisation le système sonar comporte deux antennes paramétriques à formation de voies identiques, dispo- sées latéralement par rapport au véhicule et couplées voie par voie de manière à toujours présenter des directions de pointage diver- gentes facilitant la séparation des échos renvoyés par les deux zones insonifiées simultanément et deux antennes de réception iden- tiques disposées latéralement par rapport au véhicule et dirigées chacune vers les zones insonifiées par l'antenne paramétrique placée du même côté dans le véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront des revendications jointes et de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: la figure 1 est une vue schématique, en coupe verticale longitudinale d'une installation sonar en fonctionnement sur un site de recherche, la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale trans- versale selon la ligne Il-II de la figure 1, la figure 3 est une vue de dessus du véhicule à bord duquel sont embarqués les émetteur et récepteur de l'installation sonar représentée aux figures précédentes, et la figure 4 est une vue schématique illustrant la dispo- sition des antennes sonar. Les figures 1 à 3 illustrent la mise en oeuvre d'une instal- lation sonar selon l'invention Cette dernière est répartie entre un véhicule immergé 1 appelé poisson et un bateau 2 qui le remorque Le poisson 1 se déplace à une hauteur constante au-dessus du fond et renferme essentiellement les antennes d'émission d'impulsions acous- tiques d'interrogation et de réception recevant l'énergie acoustique revenant en écho Le bateau 2 est équipé d'un système de transmis- sion de signaux le reliant aux antennes du poisson 1 et d'un dispo- sitif de traitement de signaux et de visualisation donnant à partir -4des signaux émis et reçus par le poisson 1 ainsi que des paramètres de la trajectoire de ce dernier, une image des objets enfouis dans la zone du fond survolée par le poisson 1. L'installation sonar utilise, pour l'exploration du fond, des impulsions d'énergie acoustique de fréquences suffisamment basse, de l'ordre de la dizaine de kilohertzs pour pénétrer dans le fond marin ainsi que des impulsions d'énergie acoustique de fréquences élevées de l'ordre de la centaine de kilohertzs ne pénétrant pratiquement pas dans le fond marin Elle engendre les impulsions d'énergie acoustique de fréquences basses par effet paramétrique à partir des impulsions acoustiques de fréquences élevées et procède à une inso- nification du fond marin par zones de faibles surfaces, sous une incidence inférieure à 70 degrés pour réduire la surface du fond susceptible de réverbérer une impulsion d'énergie acoustique de fré- quences basses et pour éviter la réflexion du fond L'écho d'énergie acoustique de fréquence élevée uniquement du à la réverbération du sol du fond marin est utilisé pour éliminer dans l'écho d'énergie acoustique basse fréquence la composante due à la réverbération de la surface du fond marin. Les antennes sonar sont groupées par paires, les deux antennes d'une paire étant identiques, disposées symétriquement l'une à babord, l'autre à tribord du poisson 1 et orientées latéralement vers le fond Elles se composent d'une paire d'antennes d'émission et de deux paires d'antennes de réception Les antennes d'émission ont chacune un faisceau de rayonnement ponctuel, c'est-à-dire de quelques degrés d'ouverture, orientable électroniquement dans un demi plan 3 interceptant le fond marin transversalement à la trajec- toire du poisson 1 à l'avant ou à l'arrière de ce dernier L'une des paires d'antennes de réception est sensible à l'énergie acoustique basse fréquence tandis que l'autre est sensible à l'énergie acous- tique haute fréquence Chaque antenne de réception a un faisceau de rayonnement directif nettement plus ouvert que ceux des antennes d'émission et orientable électroniquement de manière à couvrir la surface du fond marin insonifiée par l'antenne d'émission située sur le même bord du poisson 1. -5 - Les deux antennes d'émission sont de type paramétrique ce qui permet d'engendrer simultanément les impulsions acoustiques de fré- quences élevées et de fréquences basses et également l'obtention d'une grande directivité aux fréquences basses Elles sont en outre à formation de voies c'est-à-dire à orientation électronique. Les antennes paramétriques pour sonar sont bien connues dans la technique On pourra se rapporter à leur sujet par exemple à l'article de Dominique ODERO intitulé "Possibilités et limites des antennes paramétriques émettrices" et paru dans les comptes rendus du 7 ème Colloque GRETSI (Nice, juin 1979) Dans ce genre-d'antenne, un signal acoustique à une fréquence F 1 est obtenu par l'émission simultanée de deux signaux acoustiques de fréquences plus élevées F 2 et F 3 présentant la fréquence de battement F 1 cela, grâce aux carac- téristiques non linéaires de propagation des ondes acoustiques dans l'eau L'émission des deux signaux acoustiques de fréquences élevées peut s'obtenir à l'aide d'un même tranducteur électro-acoustique excité par une mélange de deux signaux électriques à ces fréquences si bien qu'une antenne sonar paramétrique peut avoir la configura- tion d'une antenne sonar classique prévue pour des fréquences élevées dont elle conserve la directivité pour l'effet paramétrique. Comme l'angle d'ouverture du faisceau de rayonnement d'une antenne est, en radians, de l'ordre de > /L ( > étant la longueur d'onde de radiation et L la dimension de l'antenne dans une direction perpen- diculaire au plan de l'angle d'ouverture) il résulte de l'utili- sation de l'effet paramétrique un gain important en directivité On peut obtenir ainsi d'un transducteur électro-acoustique carré de cm de côté excité à l'aide d'un mélange de deux signaux élec- triques de fréquences de l'ordre de la centaine de kilohertzs avec un battement inférieur de l'ordre de la dizaine de kilohertzs, une émission paramétrique d'un signal acoustique à cette fréquence de battement avec un faisceau de rayonnement ponctuel présentant un angle d'ouverture de l'ordre de 3,6 degrés permettant d'insonifier une surface de l'ordre du mètre carré à une distance de 15 mètres. La formation de voies s'obtient de manière classique en cons- tituant chaque antenne à partir d'un alignement régulier de trans- 6 - ducteurs excités avec différentes versions retardées entre elles d'un même signal fournies par un dispositif électronique de poin- tage Comme cela est bien connu, un tel alignement a une direction principale de rayonnement qui lui est perpendiculaire lorsque les transducteurs sont excités par la même version du signal et qui est dévié en direction de l'une de ses extrémités lorsque chaque trans- ducteur est excité avec un certain retard par rapport à celui qui le précède dans l'alignement considéré depuis ladite extrémité L'angle de déviation f s'exprime par la relation bien connue. sin #= NLS c N étant le nombre de transducteurs de l'alignement, A le retard uni- taire entre deux transducteurs consécutifs de l'alignement, c la vitesse de l'onde et D la longueur de l'alignement En donnant des valeurs quantifiées au retard on définit des directions princi- pales de rayonnement distinctes correspondant à des voies pour l'an- tenne. Avec l'antenne paramétrique précitée utilisant un transduc- teur à base carrée de 25 cm de côté la formation des voies s'obtient en découpant le transducteur en lignes-indépendantes avec un écar- tement inférieur aux demi-longueurs d'ondes des hautes fréquences d'excitation et en alimentant les transducteurs lignes par l'inter- médiaire d'un dispositif de pointage électronique engendrant un retard unitaire entre chacun de ces derniers Le réglage du retard unitaire du dispositif de pointage électronique permet de faire varier la direction principale de rayonnement de l'antenne paramé- trique dans un plan d'orientation perpendiculaire au transducteur global et à la direction des transducteurs lignes On assure une couverture complète d'un secteur plus ou moins grand de ce plan d'orientation en donnant au retard unitairet un certain nombre de valeurs discrètes correspondant à des directions principales de rayonnement présentant un écart unitaire inférieur à l'angle d'ou- verture du faisceau de rayonnement de l'antenne paramétrique. La figure 4 illustre la disposition des antennes sonar dans le -7 poisson 1 dont la coque, à hauteur du compartiment d'antennes, est schématisée par une portion éclatée de cylindre 5 Les antennes d'émission sont formées de deux transducteurs identiques 6, 7 à base plane carrée constitués d'une juxtaposition de transducteurs lignes 8 et disposés en dièdre Un trièdre d'orientation OXYZ avec un axe OY rappelant la direction de déplacement du poisson 1 et un axe OZ rappelant la verticale en ascendante, repère les orientations des antennes d'émission et montre qu'elles sont disposées symétri- quement par rapport à un plan vertical parallèle à la direction de déplacement du poisson 1 de manière à former un dièdre avec une arête inférieure parallèle aux transducteurs lignes 8 inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle de relèvement de 25 degrés vers l'avant du poisson 1 Les faisceaux de rayonnement des deux antennes d'émission ont un plan d'orientation commun qui intercepte le fond marin per- pendiculairement à la direction du poisson 1, en avant de ce dernier, sous un angle d'incidence de 650 comme représenté en 3 à la figure 1 Les deux transducteurs 6 et 7 à base plane carrée des antennes d'émission forment un angle dièdre de 60 degrés Grâce à cette caractéristique de positionnement les directions principales de rayonnement plan à 30 degrés de part et d'autre de la projection de la trajec- toire du poisson 1 Une formation de voies définissant des direc- tions principales de rayonnement avec un écart angulaire unitaire inférieur à 3,6 degrés et dans une plage de 30 degrés de part et d'autre des directions principales de rayonnement c, et t 4 permet d'assurer une insonification continue du fond dans un couloir centré sur la projection de la trajectoire du poisson 1. L'insonification du fond, par balayage de zones de faible sur- face se fait simultanément à babord et à tribord du poisson 1 grâce à une mise en parallèle des antennes d'émission à la sortie d'un dispo- sitif électronique de pointage commun, un transducteur ligne 8 d'ordre N par rapport à l'arête supérieure du transducteur global d'une antenne d'émission étant connecté en parallèle avec le trans- _ 8 _ ducteur ligne de même ordre N par rapport à l'arête inférieure du transducteur global de l'autre antenne d'émission Cette mise en parallèle impose aux antennes d'émission un couplage voie par voie leur*conservant un écart angulaire constant de 60 degrés entre leurs directions principales de rayonnement Cet écart angulaire constant de 60 degrés permet la séparation, par le simple effet de la direc- tivité des antennes de réception, des échos simultanés retournés. L'insonification du fond se fait à l'aide d'impulsions acous- tiques d'interrogation émises par les antennes d'émission en direc- tion de points distincts de zones à faible surface grâce au dépla- cement du poisson combiné avec un changement de voies des antennes d'émission entre chaque impulsion commandé par le dispositif élec- tronique de pointage Pour accélérer cette insonification et, par conséquent la vitesse de déplacement du poisson les impulsions acoustiques d'interrogation sont regroupées par trains de deux impulsions successives suivis chacun d'une période de silence mise à profit pour capter les échos en retour des deux paires de zones de faible surface insonifiées successivement Le balayage des voies des antennes d'émission se fait grâce au dispositif de pointage élec- tronique dans un ordre imposant à chacune d'elle un écart angulaire -de pointage d'environ 30 degrés entre les émissions de deux impul- sions successives d'un même train afin de permettre une certaine séparation des échos retournés grâce à la directivité des antennes de réception La figure 3 illustre un découpage du fond en zone de faible surface résultant d'un tel balayage Le poisson 1 insonifie au fond un couloir centré sur la projection de sa trajectoire et limité de part et d'autre par les lignes pointillés b et c corres- pondant aux limites de portée latérale des antennes d'émission Ce couloir est partagé en quatre bandes longitudinales par la projec- tion a de la trajectoire du poisson 1 sur le fond et par deux lignes parallèles d et f formées des points du fond vus par les antennes d'émission sous leurs directions principales de rayonnement t, bandes longitudinales sont balayées latéralement dans le même sens. La bande longitudinale limitée par les lignes b et d à tribord du poisson 1 est balayée simultanément avec la bande Longitudinale limitée par les lignes a et f à babord du poisson 1 à l'aide des premières impulsions acoustiques de chaque train La bande longitu- dinale limitée par les lignes d et a à tribord du poisson 1 est balayée simultanément avec la bande longitudinale limitée par les lignes f et c à babord du poisson 1 à l'aide des deuxièmes impul- sions acoustiques de chaque train Les zones de faible surface inso- nifiées par les impulsions d'interrogation sont repérées sur la figure 2 à tribord du poisson 1 par les chiffres 20 à 37 dans leur ordre d'insonification et, à babord du poisson 1, par les mêmes chiffres affectés d'un prime, deux zones portant le même chiffre de part et d'autre du poisson 1 étant insonifiées simultanément par les antennes d'émission. Comme on peut le voir sur la figure 4 les deux paires d'antennes de réception ont un configuration générale et des orien- tations analogues à la paire d'antennes d'émisssion Chacune d'elles est formée de deux transducteurs à base plane carrée 9,10 respecti- vement 11, 12 constitués d'une juxtaposition de transducteurs lignes 13 respectivement 14 et disposés selon un dièdre à 60 degrés symétriquement par rapport à un plan vertical parallèle à la détec- tion de déplacement de poisson 1 et avec une arête inférieure paral- lèle aux transducteurs lignes 13 ou 14 et inclinée par rapport à l'horizontal d'un angle de relèvement de 25 degrés vers l'avant du poisson 1 Les deux transducteurs à base plane 9, 10 respecti- vement 11, 12 de chaque paire d'antennes de réception sont mis en parallèle au niveau de leurs transducteurs lignes 13 respective- ment 14 de la même manière que les transducteurs à base plane 6, 7 de la paire d'antennes d'émission Chaque paire d'antennes de réception est reliée à un circuit formateur de faisceaux qui en assure l'orien- tation électronique en sommant les signaux délivrés par un aligne- ment de transducteurs lignes 13, 14 après les avoir affectés au préalable de retards relatifs fonctions des rangs dans l'alignement È 9869 - des transducteurs lignes 13, 14 qui les ont engendrés Cette orien- tation électronique a lieu, du fait de l'analogie des configurations des paires d'antennes dans des plans qui sont parallèles au plan d'orientation 3 de la paire d'antennes d'émisssion et qui peuvent être considérés comme confondus avec lui, les distances entre les paires d'antennes du poisson 1 étant négligeables par rapport à la distance séparant le poisson 1 du fond. La paire d'antennes de réception sensibles à l'énergie acous- tique basse fréquence réfléchie par le sous-sol marin présente les transducteurs à base plane 9, 10 les plus grands, de l'ordre de 35 cm de côté avec un angle d'ouverture de faisceau de l'ordre de 15 degrés à une dizaine de kilohertzs La paire d'antennes de réception sensi- bles à l'énergie acoustique haute fréquence réfléchie par la surface du fond à les transducteurs à base plane 11, 12 les plus petits, de l'ordre de 4 cm de côté pour un même angle d'ouverture d'une quinzaine de degrés à une centaine de kilohertzs. Les antennes de réception ont au même instant des orientations multiples ou encore plusieurs voies simultanées car leur orientation ou formation de voies résulte d'un traitement dans un circuit forma- teur de faisceaux des signaux reçus par leur transducteurs lignes, traitement qui est mené parallèlement de diverses façons Cette pro- priété est mise à profit pour orienter chaque antenne simultanément dans deux directions différentes pendant la réception des échos pro- voqués par un train de deux impulsions acoutiques successives, une première direction pointée vers la zone de faible surface à babord ou respectivement à tribord du poisson 1 insonifiée par la première impulsion acoustique et une deuxième direction pointée vers la zone de faible surface à babord ou à tribord du poisson 1 insonifiée par la deuxième impulsion acoustique. La directivité des antennes de réception est suffisante pour séparer les échos en provenance de deux zones du fond insonifiées simultanément car ces dernières sont vues du poisson 1 sous un angle de 60 degrés Elle peut par contre se révéler insuffisante pour séparer les échos en provenance de deux zones du fond insonifiées par deux impulsions successives et vues du poisson sous un angle de 30 11 - degrés seulement Dans ce dernier cas, il est avantageux de diffé- rencier les deux impulsions successives d'un train par un code qui se retrouve dans leurs échos respectifs et permet alors de les distin- guer On utilise par exemple des impulsions acoustiques modulées linéairement en fréquence, la première impulsion d'un train avec une fréquence instantanée croissante et la deuxième avec une fréquence instantanée décroissante. Le dispositif de traitement de signaux et de visualisation décorréle les échos haute et basse fréquences en provenance de chaque zone à faible surface insonifiée sur le fond marin, calcule l'énergie des composantes décorrélées de chaque échos basse fré- quence et délivre une image dont chaque point ou tache a une tonalité fonction de l'énergie des composantes décorrélées de l'écho basse fréquence renvoyé par la zone à faible surface insonifiée sur le fond à laquelle il corresponde Pour ce faire il utilise les techniques classiques de traitement de signaux et de visualisation. _ 12 - REVENDICATIONS 1/ Sonar comportant un émetteur d'impulsions acoustiques et un récepteur d'énergie acoustique montés sur un véhicule ( 1) se dépla- çant au dessus du fond marin, ainsi qu'un dispositif de traitement de signaux et de visualisation engendrant à partir des signaux de l'émetteur et du récepteur et des paramètres du déplacement du véhi- cule une image des objets enfouis dans le fond marin, caractérisé en ce que l'émetteur d'impulsions acoustiques est muni d'au moins une antenne paramétrique ( 6, 7) à rayonnement ponctuel et à formation de voies insonifiant des zones ponctuelles du fond marin et d'un dispo- sitif électronique de pointage assurant le balayage desdites voies. 2/ Sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite antenne paramétrique ( 6, 7) est toujours pointée vers le fond marin avec un angle d'incidence inférieur à 70 degrés. 3/ Sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite antenne paramétrique ( 6, 7) est toujours pointée vers le fond marin dans un plan ( 3) qui intercepte le fond marin transversalement à la direction de déplacement du véhicule ( 1), en avant ou en arrière de ce dernier. 4/ Sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur est muni de deux antennes paramétriques ( 6, 7) à rayonnement ponc- tuel et à formation de voies, identiques disposées latéralement dans les flancs du véhicule ( 1) une par bord, et couplées en parallèle voie par voie de manière à avoir constamment deux directions de pointage divergentes. / Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux antennes paramétriques ( 6, 7) ont un couplage voie par voie leur conservant un écart angulaire de pointage constant. 6/ Sonar selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur comporte des moyens pour moduler linéairement en fréquence les im- pulsions acoustiques. 7/ Sonar-selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'émetteur comporte des moyens pour délivrer un train répétitif de deux impul- sions successives modulées linéairement en fréquence l'une avec une fréquence instantanée croissante, l'autre décroissante. -098 13 - 8/ Sonar selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispo- sitif électronique de pointage oriente les deux impulsions succes- sives d'un train vers deux voies différentes présentant un écart de pointage constant. 9/ Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux antennes paramétriques sont formées de deux bases planes ( 6, 7) identiques qui sont constituées d'une juxtaposition transducteurs lignes ( 8) et qui forment dans le véhicule ( 1) un diédre disposé symétriquement par rapport au plan vertical parallèle à la direction de déplacement du véhicule ( 1) avec une arête inférieure parallèle aux alignements d'antennes et inclinée par rapport à l'horizontal. / Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bases planes des deux antennes parzmétriques forment un diédre d'envi- ron 60 degrés avec une arête inférieure relevée d'environ 25 degrés vers l'avant du véhicule. 11/ Sonar selon la rvendication 1, caractérisé en ce que le récep- teur est muni de deux antennes de réception l'une haute fréquence sensible aux fréquences hautes émises par l'antenne paramétrique et l'autre basse fréquence sensible au battement inférieur des fré- quences hautes émises par l'antenne paramétrique.