Brevet FR2499252A1 — publié le 19820806

Procédé pour repérer la position d'un corps immergé au moyen d'ondes acoustiques et dispositifs du type sonar actif comportant des voies d'émission et d'écoute. La présente invention a pour objet un procédé pour repérer la position d'un corps immergé au moyen d'ondes acoustiques et des dispositifs du type sonar actif, comportant des voies d'émission et d'écoute. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des antennes de sonars actifs. Les sonars actifs comportent des antennes composées de transducteurs, émetteurs et récepteurs, disposés suivant un réseau plan ou cylindrique. Un dispositif permet de rendre cette antenne directive pour former des voies d'émission et de réccption. Un dispositif mécanique ou électronique permet de réaliser les voies d'émission et de réception et d'explorer l'espace ou un secteur angulaire déterminé et de localiser la direction d'où provient un écho. La durée entre l'émission d'une impulsion et la réception d'un écho permet de déterminer la distance de la cible. Les sonars sont utilisés généralement en milieu marin et on sait que l'eau dans laquelle se propage l'énergie sonore est un milieu qui diffuse une partie de l'énergie sonore en tout point de la masse d'eau et des frontières de celle-ci avec l'air ou avec le fond, ce qui aveugle plus ou moins le récepteur. Ce phénomène est appelé réverbération de volume, de surface ou de fond. La présente invention s'applique à tout sonar actif capable d'émettre dans au moins deux directions et comportant des antennes d'émission et. de réception ayant des diagrammes de rayonnement sensiblement équivalents. L'objectif de la présente invention est de réduire les per turbations dues à la réverbération en répartissant l'énergie sonore émise dans les différentes voies d'émission dans deux bandes de fré quence.différentes et en réalisant à la réception, une discrimination à la fois dans l'espace et dans les bandes de fréquence. I1 est connu de réaliser un système sonar actif dit "panoramique" en réalisant une émission omnidirectionnelle et en formant des voies d'écoute à la réception, en nombre suffisant pour assurer une exploration continue de l'horizon. Ce système sera appelé "sonar conventionnel" dans la suite du texte. I1 est également connu de réduire les perturbations dues à la réverbération par rapport à ce sonar conventionnel en utilisant une antenne émettrice et réceptrice de même dimension que l'antenne réceptrice du sonar conventionnel. L'antenne émettrice émet simultanément dans deux ou plusieurs bandes de fréquences disjointes suivant une loi donnée. L'antenne réceptrice comporte un ensemble de voies d'écoute dites "d'émission" ét un ensemble de voies d'écoute dites "de réception" dont les directions coincident. Les voies dites "d'émission réalisent la focalisation fréquentielle suivant ces directions et les voies dites "de réception", la focalisation spatiale suivant ces mêmes directions. Cette solution permet de réduire la réverbération, mais augmente la précision dans la localisation de la direction d'un écho, c'està-dire le pouvoir séparateur angulaire, et il faut augmenter le nombre de voies écoute par rapport au sonar classique. Si l'antelme d'émission est la même que celle de réception il faut doubler le nombre de voies d'écoute. I1 est également connu de réduire les perturbations dues à la réverbération et d'augmenter le pouvoir séparateur angulaire de l'antenne de réception seule en utilisant à l'émission une antenne interférométrique à deux éléments et à la réception une antenne linéaire ou plane de même longueur que l'antenne d'émission. L'antenne d'émission interférométrique émet successivement ou simultané- ment dans deux bandes de fréquences disjointe deux signaux réalisant deux émissions multilobes dont les axes sont entrelacés. L'antenne de réception forme des voies d'écoute en nombre égal aux loges de chaque émission et suivant les memes axes dans chacune des deux bandes de fréquence d'émission. Cette solution, comme la précédente, exige donc de doubler le nombre des voies d'écoute. Les dispositifs selon l'invention permettent de réduire les perturbations dues à la réverbération et d'améliorer la précision de localisation de la direction d'un écho en conservant le même nombre de voies d'écoute que dans un sonar conventionnel utilisant la meme antenne de réception. Un procédé selon l'invention pour localiser un corps immergé est du type connu, suivant lequel on émet dans l'eau des ondes acoustiques sensiblement planes successivement ou simultanément dans des directions ou voies déterminées qui balayent un secteur angulaire qui peut avoir une ouverture de 3600 et on capte les échos éventuels dans des voies d'écoute qui explorent le meme secteur angulaire. Un procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on émet alternativement dans deux bandes de fréquence disjointes Fl et F2, en passant d'une voie d'émission à la suivante et-que l'on forme des voies d'écoute dont les axes sont intercalés entre les axes des voies d'émission et qui comportent chacune deux filtres dont les bandes passantes correspondent respectivement aux bandes de fréquence F1 et F2. Un dispositif selon l'invention est du type sonar actif comportant une antenne emettrice-et réceptrice d'ondes acoustiques qui est équipée de moyens permettant de former successivement des voies d'émission et des voies d'écoute qui explorent un secteur angulaire déterminé et qui permettent de localiser la position d'un écho renvoyé par un corps immergé, dans lequel l'antenne émettrice comporte deux générateurs de fréquences acoustiques émettant respectivement dans deux bandes de fréquences disjointes Fl et F2 et des moyens pour émettre alternativement dans l'une ou l'autre des deux bandes de fréquence en passant d'une voie d'émission à la suivante. Un dispositif selon l'invention comporte, en outre, une antenne réceptrice équipée de moyens pour former des voies d'écoute dont les directions sont intercalées entre celles des voies d'émission et chaque voie d'écoute comporte deux filtres montés en parallèle dont les bandes passantes respectives correspondent aux bandes de fréquence FI et F2. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'antenne est une antenne cylindrique émettrice et réceptrice comportant 3n colonnes verticales de transducteurs et les voies d'émission sont formées en envoyant sur n colonnes adjacentes, des signaux de fréquences acoustiques retardés les uns par rapport aux autres, tandis que les voies d'écoute sont formées en combinant les signaux reçus par n + I colonnes adjacentes, de telle sorte que les direc tions des voies d'écoute sont dirigées-selon les plans bissecteurs des voies d'émission. L'invention a pour résultat la possibilité de repérer la position d'un corps immergé au moyen d'un sonar actif en réduisant les perturbations dues aux réverbérations. Grâce à la disposition des voies d'écoute intercalées entre les voies d'émission et au fait que chaque voie d'écoute comporte deux filtres montés en parallèle, chaque voie d'écoute délivre deux signaux qui permettent de déterminer si un corps immergé se trouve à droite ou à gauche de la direction de la voie d'écoute selon que l'un des signaux est plus intense que l'autre. Tout se passe comme si le nombre de voies d'écoute etait double et le pouvoir séparateur angulaire multiplié par deux. L'application du procédé selon l'invention peut etre directive en utilisant des voies d'émission et une voie de réception. Elle peut etre également sectorielle si l'on balaye seulement un secteur angulaire, ou panoramique si l'on balaye sur 360". Le procédé selon l'invention peut être utilisé sur toutes les antennes de sonar actif ayant au moins deux éléments à accés séparé, qu'elles soient formées de réseaux plans, cylindriques, sphériques ou autres. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure I est un schéma du dispositif d'émission d'un sonar selon l'invention. La figure 2 est un schéma du dispositif de réception d'un sonar selon l'invention. La figure 3 est un diagrammedes lobes de sensibilité à l'émission et à la réception en fonction du gisement. La figure I représente en 1 l'antenne d'un sonar actif selon l'invention. Cette antenne est à la fois émettrice et réceptrice. Elle comporte un support cylindrique vertical 2 ayant un diamètre de l'ordre de 3,3 fois la longueur d'onde moyenne. Sur ce support sont placées 3n colonnes 3, verticales, de transducteurs, par exemple 24 colonnes 3 de transducteurs piézoélectriques. Chaque colonne comporte une excitation électrique indépendante, c'est-à-dire que l'antenne comporte 24 émetteurs Il et 24 préamplificateurs séparés, à raison d'un par colonne. Les 24 colonnes sont uniformément réparties sur la périphérie de l'antenne, l'écart angulaire entre deux colonnes 1200 successives étant de 150 ou plus généralement de n L'émission est réalisée de façon connue suivant le mode à triple faisceau tournant, c'est-à-dire que l'on émet simultanément suivant trois directions ou voies d 1émission séparées angulairement de 1200. Pour former chaque voie d'émission, on utilise n colonnes adjacentes, par exemple huit colonnes et des dispositifs électroniques connus de déphasage ou de retard qui permettent d'obtenir pour chaque voie d'émission un lobe de directivité ou diagramme de rayonnement ayant une ouverture de l'ordre de 150 à mi-puissance. Huit émissions, comportant chacune trois lobes décalés angulairement de 1200, sont réalisées successivement par des dispositifs électroniques connus en décalant les directions d'émission de 150 chaque fois de façon à obtenir un balayage total de l'horizon. Les axes de voies d'émission correspondent au bissectrices des colonnes de l'antenne. Le dispositif émetteur selon la figure 1 comporte deux générateurs électroniques 4 et 5 de fréquences acoustiques sinusoidales émettant respectivement sur deux bandes étroites de fréquence FI et F2 qui sont disjointes. Par exemple Fl 3 4.900 Hz et F2 - 5.400 Hz. Un commutateur à deux voies 6,-7, comporte un contact inverseur 6a qui est commandé par un organe de commande 7, de.sorte que l'on obtient alternativement, à la sortie du commutateur, la bande de fréquence FI ou la bande de fréquence F2. Une porte électronique 8, par exemple un notable ayant une durée de basculement 0, associé à une porte ET permet de découper le signal en impulsions successives dont la durée e correspond à la durée d'émission souhaitée et qui correspondent alternativement aux bandes de fréquence FI et F2. Ces impulsions sont transmises à une série de quatre lignes à retard rl, r2, r3, r4 dont les retards sont calculés de façon connue pour générer, dans l'eau, une onde plane se propageant dans une direction déterminée,à partir de transducteurs disposés en arc de cercle sur huit colonnes successives du cylindre 2, qui sont symétriques par rapport à la direction de l'onde plane qui est la direction d'émission. Si D est le diamètre du cylindre 2 et C la vitesse du son dans l'eau, on sait que les retards sont rl = 0. r2 = 2C (cos 370,5 - cos 52 ,5) r3 = 2% (cos -220,5 - cos 52 ,5) r4 = D (cos 7 ,5 - cos 520,5). Les quatre signaux P1, P2, P3 et P4 émis par les quatre lignes à retard rl à r4 sont répartis successivement sur huit sorties d'un répartiteur cyclique 9, commandé par un séquenceur 10. Ce séquenceur 10 et l'organe de commande 7 du commutateur sont synchronisés par exemple par une horloge électronique. Chacune de ces huit sorties du répartiteur 9 est connectée en parallèle sur trois émetteurs indépendants 11a, 11b, 11c, dont les sorties sont connectées respectivement, à travers un préamplificateur, sur trois colonnes de transducteurs décalées angulairement de 1200. Sur la figure 1, on a représenté seulement les trois émet tours Ila, 11b, lic dont les entrées sont connectées sur la première sortie du répartiteur 9 et dont les sorties sont connectées respectivement sur trois colonnes C1, C9 et C17 décalées de 1200. Une séquence d'émission comporte donc huit émissions successives d'une durée 8 qui sont émises alternativement dans la bande de fréquence F1 ou la bande de fréquence F2, chaque émission étant émise suivant trois voies décalées angulairement de 1200, chaque voie étant dirigée suivant le plan de symétrie de huit colonnes successives, qui sont éxcitées par les huit-émetteurs 11a, ou 11b, ou lic, connectés sur les huit sorties du répartiteur 9. Le tableau I ci-après indique sur la ligne 1 les repères des huit émissions successives, sur la ligne 2 les bandes de fréquences émises, sur les lignes 3 à 6, les numéros des colonnes auxquelles sont distribués respectivement les signaux retardés PI, P2, P3 et P4 par le répartiteur 9. TABLEAU I Repère 1 2 3 4 5 6 7 8 d'émission Fréquence F1 F2 F1 F2 F1 F2 F1 F2 1 & 2 & 3 & 0 4 & 1 5 & 2 6 & 3 7 & 4 8 & 5 P1 9 & 6 10 & 7 11 & 8 12 & 9 13 & 0 14 & 1 15 & 2 16 & 3 17 & 4 18 & 19 & 20 & 21 & 22 & 23 & 24 & 2 & 3 & 4 & 5 & 0 6 & 1 7 & 2 8 & 3 9 & 4 P2 10 & 5 11 & 6 12 & 7 13 & 8 14 & 9 15 & 0 16 & 1 17 & 2 18 & 3 19 & 4 20 & 21 & 23 & 23 & 23 & 1 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 0 8 & 1 9 & 2 10 & 3 P3 11 & 4 1215 13 & 6 14 & 7 15 & 8 16 & 9 17 & 0 18 & 1 19 & 2 10 & 2 10 & 3 21 & 4 22 & 23 & 24 & 12 & 20 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 0 10 & 1 11 & 2 P4 12 & 3 13 & 4 14 & 5 15 & 6 16 & 7 17 & 8 18 & 9 19 & 0 20 & 1 21 & 2 22 & 3 23 & 4 24 & 1 & 2 & 3 & On voit sur le tableau I que les groupes de trois colonnes décalées angulairement de 120 , par exemple le groupe 1, 9 et 17 ou 2, 10, 18 restent toujours groupés et que d'une émission à la suivante, ils se déplacent suivant les diagonales du tableau, c' est-à- dire que l'on passe d'une émission à la suivante par permutation circulaire des entrées P1, P2, P3 et P4 sur les sorties S1 à S8 du répartiteur 9 qui est un commutateur cyclique. Par exemple le signal P1 est aiguillé lors de la première émission sur la sortie S1 connectée aux colonnes C1, C9 et C17, lors de la seconde émission sur la sortie S2 connectée sur les colonnes 2, 10 et 18 et ainsi de suite. La figure 2 est un schéma indiquant la formation d'une voie de réception à partir de l'antenne cylindrique I comportant 24 colonnes de transducteurs. On forme 24 voies de réception identiques en permutant circulairement les colonnes. Pour former une voie, on utilise les signaux captés par neuf colonnes adjacentes C1 à C9. Ces signaux sont traités, mis en forme et amplifiés dans des circuits d'adaptation d'impédance, de commutation et d'amplification non représentés. Les signaux traités sont connectés- sur neuf lignes à retard r'1 à r'9. On a représenté sur la figure 2 des lignes à retard dont la longueur est proportionnelle au retard. On voit que les valeurs des retards sont symétriques par rapport au retard médian r'5 qui est le plus grand. Les retards r'1 et r'9 sont nuls. Les retards r'2 et r'8 sont égaux à 2C (cos 45 - cos 60 ); r'3 = r'7 = 2C (cos 30 - cos 60 );; r'4 = r'6 = 2C (cos 150 - cos 60 ); r'5 = 2C (1 - cos 60 ). Les sorties des retards r'1 à r"9 sont connectées sur neuf entrées d'un circuit de sommation 12, par exemple sur un amplificateur opérationnel monté en totalisateur analogique. Les sorties des lignes à retard sont connectées sur le circuit 12 à travers des résistances permettant une pondération des signaux. On obtient à la sortie du circuit 12 un signal de voie d'écoute dont la direction correspond au plan médian des neuf colonnes, c'est-à-dire à la colonne C5, On voit donc que les voies d'écou- tes qui sont situées dans la direction d'une colonne sont intercalées entre les directions des voies d'émission. La sortie du circuit sommateur 12 est connectée en paral lèle sur deux filtres 13a et 13b à bande passante étroite correspondant aux bandes passantes F1 et F2 des deux génératéurs 4 et 5, de telle sorte que l'on obtient pour chaque voie d'écoute deux signaux. Par exemple le filtre F1 a une largeur de bande de 440 Hz centrée sur 4.900 Hz. Par 24 permutations circulaires successives des colonnes prises chaque fois par groupes de neuf colonnes adjacentes, on forme 24 voies d'écoute équidistantes angulairement de 150 qui permettent de balayer tout l'horizon. Chaque voie de réception reçoit une énergie sonore prépondérante, soit dans la bande de fréquence F1, soit dans la bande de fréquence F2, selon que la cible qui renvoie l'écho se trouve placée du côté de la voie d'écoute où se situe une voie d'émission émettant dans la bande F1 ou dans la bande F2. Par contre, l'énergie sonore réverbérée est répartie sensiblement à égalité dans les deux bandes de fréuqence F1 et F2. La décomposition des échos reçus sur les voies d'écoute en deux signaux par les filtres F1 et F2 permet donc de conserver l'énergie sonore réfléchie par une cible tout en atténuant l'influence des réverbérations. Finalement, en émettant des signaux de fréquence différente et grâce au fait que les directions des voies d'écoute sont intercalées entre les directions des voies d'émission, on obtient 48 voies d'écoute ayant chacune une ouverture angulaire de 70,5, soit un pouvoir séparateur double de celui d'une antenne de réception ou d'émission utilisée en sonar conventionnel. La figure 3 est un diagramme sur lequel on a porté en abscisses le gisement et en ordonnées la sensibilité à l'émission et les courbes en traits pleins la sensibilité à la réception. Les lettres El, E2..., les gisements des voies d'émission et les lettres RI, R2..., les gisements des voies d'écoute. On voit que les voies d'écoute sont intercalées entre les voies d'émission. Si les échos et la réverbération des émissions adjacentes sont atténués par exemple d'au moins 40 dB par les filtres de réception 13a et 13b, toute l'énergie de l'écho se retrouve sur une seule fréquence et donc à la sortie d'un seul filtre tandis que l'énergie de la réverbération se trouve partagée à égalité entre deux filtres et se trouve donc atténuée de 3dB par rapport à l'énergie réverbérée dans le cas d'une émission panoramique de meme énergie globale dans une seule bande de fréquence (sonar conventionnel). REVENDICATIONS 1 - Procédé pour repérer la position d'un corps immergé suivant lequel on émet dans l'eau des ondes acoustiques sensiblement planes succes sivement ou simultanement dans des directions ou voies déterminées, qui balayent un secteur angulaire et on capte les échos éventuels dans des voies d'écoute qui explorent le même secteur angulaire, ca ractérisé en ce que l'on utilise alternativement à l'émission deux bandes de fréquence disjointes F1 et F2, en passant d'une voie d'é mission à la suivante et lton forme des voies d'écoute dont les axes sont intercalés entre les axes des voies d'émission et qui comportent chacune deux filtres dont les bandes passantes corres pondent respectivement auxdites bandes de fréquence F1 et F2. 2 - Dispositif pour repérer la position d'un corps immergé du type so nar actif comportant une antenne émettrice et réceptrice d'ondes acoustiques qui est équipée de moyens permettant de farmer succes sivement ou simultanément des voies d'émission et des voies d'écou te qui explorent un secteur angulaire déterminé et qui permettent de localiser la position d'un écho renvoyé par un corps immergé, dans lequel ladite antenne émettrice comporte deux générateurs de fréquences acoustiques émettant dans deux bandes de fréquence dis jointes F1 et F2 et des moyens pour émettre alternativement dans l'une ou dans l'autre des deux bandes de fréquence en passant d'une voie d'émission à la suivante, caractérisé en ce que ladite antenne réceptrice comporte des moyens pour former des voies d'é coute dont les directions sont intercalées entre celles desdites voies d'émission et chaque voie d'écoute comporte deux filtres montés en parallèle dont les bandes passantes respectives corres pondent auxdites bandes de fréquence F1 et F2. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites voies d'émission et d'écoute sont équidistantes et que lesdites voies d'écoute sont dirigées selon les plans bissecteurs desdites voies d'émission. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite antenne est une antenne cylindrique (I), émettrice et réceptrice, compotantk.n colonnes (3) verticales de transducteurs et les voies d'émission sont formées en envoyant sur n colonnes adja centes, des signaux de fréquence acoustique retardés les uns par rapport aux autres, tandis que les voies d'écoute sont formées en combinant les signaux reçus par n + 1 colonnes adjacentes, de telle surte que les directions des voies d'écoute sont interca lées entre les directions des voies d'émission. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'émission comporte deux générateurs (4, 5) de fré quences acoustiques émettant dans deux bandes de fréquence F1 et F2 disjointes, un commutateur (6), qui est connecté alternative ment sur l'un ou l'autre des deux générateurs, une porte électroni que (8) à ouverture de durée constante qui est connectée à la sortie dudit commutateur, n/2 lignes à retard (rl, r2...rn/2)qui sont connectées en parallèle à la sortie de ladite porte, un répartiteur (9) ayant n sorties et Q2 entrées qui sont connec tées chacune sur une sortie de l'une desdites lignes à retard, un sequenceur(10) qui commande lespermutationsdudit répartiteur en synchronisme avec les basculements dudit commutateur (6), et n groupes de trois circuits émetteurs (lIa, lîb, lic) qui sont connectés, d'une part, en parallèle sur chaque sortie dudit répar titeur et, d'autre part, sur. k colonnes décalées angulairement 3600 de k 6 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de formation des voies d'écoute comporte - n + 1 lignes à retard (r'l à r'9) sur chacune desquelles est connectée une colonne faisant partie d'un groupe de n + 1 co lonnes adjacentes; - un circuit de sommation (12) à n + 1 entrées, sur chacune desquelles est connectée la sortie de l'une des lignes à retard; - deux filtres (13a et 13b) à bande passante étroite, cor- respondant respectivement aux bandes de frequence F1 et F2; - et un dispositif de permutation circulaire des n + 1 voies d'écoute permettant de former kn voies d'écoute réparties sur 360 .