Brevet FR2521306A1 — publié le 19830812

SONAR La présente invention se rapporte à un système sonar et à un procédé de traitement de signaux sonar utilisant des impulsions du type hululé. Les émetteurs récepteurs sonar du type décrit ici com- prennent des moyens pour engendrer des signaux électriques du type hululé qui sont fournis à des moyens transducteurs sous-marins qui convertissent les signaux électriques en si- gnaux acoustiques émis Un récepteur reçoit les signaux d'é- cho éventuels reçus par les moyens transducteurs et com- porte une structure de corrélation pour corréler les signaux reçus avec les signaux émis et qui répond à une corrélation reconnue en produisant un signal de sortie. Il est bien connu,aussi bien dans les systèmes radar que dans les systèmes sonar,que l'on peut utiliser des impulsions du type hululé pour améliorer le pouvoir séparateur radial et pour éliminer les échos parasites et la réverbération de fa- çon ainsi à améliorer le rapport signal-bruit Le brevet des EUA n' 3 363 248 au nom de Nicodemus décrit un récepteur de radar utilisant des impulsions hululées pour supprimer les échos renvoyés pour la seconde fois Dans ce système, une im- pulsion sur deux effectue un balayage de fréquences croissant tandis que les autres effectuent un balayage de fréquences dé- croissant Le brevet des EUA N O 4 199 246 au nom de Mugqli dé- crit un système de mesure de distance ultrasonore pour un ap- pareil photographique qui utilise une impulsion hululée et un corrélateur à filtres dans le récepteur pour comparer des impulsions de façon à isoler des fréquences Le brevet des EUA N O 4 287 578 représente un système sonar classique qui utilise des signaux hululés et deux fréquences successives. Le brevet des EUA n' 3 887 918 aux noms de Bailey et autres décrit un système radar qui comporte un détecteur de coinci- dence à plusieurs niveaux qui compare les impulsions en- trantes dans une ligne à retard avec un code mis en mémoire dans l'un quelconque d'une série de détecteurs de coïncidence. Chaque détecteur de coïncidence fonctionne de façon à fournir un niveau de signal de sortie numérique basé sur une comparai- son affirmative du code reçu avec le code en mémoire Ce docu- ment est un exemple caractéristique de la technique antérieure montrant l'emploi d'un registre à décalage comme corrélateur. De nombreux agencements ont été suggérés et réalisés pour améliorer le pouvoir séparateur des systèmes sonar grâce à l'emploi de divers systèmes de conditionnement des signaux. L'emploi de signaux hululés émis (balayage de fréquences li- néaire) de signaux pseudo-aléatoires ou de groupes d'impul- sions etc a été essayé avec, dens de nombreux cas, un cer- tain succès Certains procédés ont été extrêmement complexes et, par conséquent, onéreux On aurait cependant toujours be- soin de disposer d'un système et d'un procédé sonar qui per- mettent d'obtenir un bon pouvoir séparateur radial et une bonne élimination des échos parasites et de la réverbération et qui puissent être réalisés et mis en oeuvre d'une manière simple et relativement bon marché Des systèmes de corréla- tion analogiques ont été utilisés avec un certain succès mais ils nécessitent typiquement l'emploi d'une structure d'ordinateur importante et ils sont d'une réalisation oné- reuse. Le système et le procédé de traitement de signaux sonar de l'invention utilisent un oscillateur de précision combiné avec des moyens diviseurs et programmateurs pour engendrer plusieurs sons, de préférence quatre, dont les fréquences sont très proches et qui, en combinaison, constituent un son du type hululé qui est émis Les échos renvoyés des signaux de type hululé émis sont fortement écrêtés de façon à être convertis en une forme binaire et ils sont appliqués à un re- gistre à décalage connecté à une horloge qui commande la fré- quence à laquelle les échantillons des signaux binaires reçus sont décalés à travers le registre à décalage Les échantil- lons de signaux binaires reçus sont comparés à des signaux binaires mis en mémoire et un signal de'sortie est produit lorsque les signaux reçu et mis en mémoire atteignent une pro- portion désirée d'accord Lorsque le son initial est détecté, il est produit un -signal de sortie qui est utilisé pour faire avancer l'horloge à la fréquence du son suivant Ensuite, les moyens de programmation décalent les échantillons de signal dans le registre à décalage aux fréquences et dans l'ordre dans lequel les sons ont été émis Pour chaque corrélation détectée,un autre signal de sortie de ce type est produit. Cette série de signaux de sortie,dont chacun représente l'ac- cord désiré avec la configuration binaire mise en mémoire, à sa fréquence, est alors appliquée à un circuit qui détermine si les sons ont été reçus dans l'ordre correct dans lequel ils ont été émis et qui comporte un agencement de contrôle de majorité pour déterminer si une majorité desdits sons,tels qu'émis,est présente dans les échos renvoyés reçus. L'invention a également pour objet un système de traite- ment de signaux pour corréler les signaux reçus avec un signal émis en utilisant un corrélateur à registre à décalage piloté par une horloge qui produit un signal de sortie à fréquence variable prédéterminée pour accorder le corrélateur. Un avantage qui résulte de l'invention est que la confi- guration mise en mémoire à laquelle le signal d'entrée ou si- gnal reçu est comparé n'a pas besoin d'être changée en fonc- tion des changements de fréquence de l'horloge. Un autre avantage qui résulte de l'invention est que la corrélation des signaux reçus avec les signaux émis est effectuée avec une mécanisation numérique (eu moyen de cir- cuits superintégrés) plus simple, plus petite et moins oné- reuse que lorsqu'on corrèle de tels signaux en utilisant les procédés de corrélation analogique usuels. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de ladescription qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la Figure unique est un schéma-bloc d'un émetteur- récepteur sonar utilisant la présente invention. Comme représenté sur la Figure à laquelle on se réfère- ra, un oscillateur 10 piloté par quartz ayant une fréquence désirée, telle que 8,14 M Hz, est connecté à un circuit divi- seur programmable numérique qui est capable de diviser la fré- quence du signal de sortie de l'oscillateur par l'un quel- conque d'une série de diviseurs pour produire plusieurs sons très rapprochés Par exemple, le diviseur 12 divise le signal de sortie de l'oscillateur 10 par 22, 21, 2 Oet 19 donnant ainsi des fréquences de 370 k Hz, 287,6 k Hz, 407 k Hz et 428,4 k Hz Les fréquences particulières peuvent varier mais elles sont typiquement séparées d'approximativement cinq pour cent Au diviseur 12 est connecté un sélecteur de son 14 qui comporte des moyens de changement de réglage pour choisir les sons divisés, dans l'ordre désiré,et qui est commuté par un compteur de sons 16 ayant des lignes de sortie Q 7 et Q 8 qui transmettent une information codée en binaire au sélecteur de son 14 Au moment o le système reçoit une commande d'é- mission d'hululement transmise suruneligne 18,commande qui peut provenir d'un oscillateur de fréquence de recurrence ré- glé pour produire des impulsions de commande à une fréquence telle que deux à la seconde ou dix à la seconde selon la dis- tance escomptée du but, le compteur 16 est remis à zéro pour commencer à compter à partir de zéro vers un compte de 255 lorsqu'une "bascule de marche" ou multivibrateur 20 est en- clenché pour permettre au compteur 16 de recevoir les impul- sions d'horloge du diviseur 12 sur une ligne 22 Le préré- glage du compteur diviseur 12 a pour effet qu'il dépasse sa capacité toutes les 22 unités et émet une impulsion ou compte de report qui est appliqué à la borne d'entrée d'horloge du compteur de sons 16 Cette même impulsion de report est appli- quée à un circuit 'diviseur par deux" 21 qui divise par deux les fréquences sonores de telle sorte que des fréquences de k Hz, 193,8 k Hz, 203,5 k Hz et 214,2 k Hz sont engendrées et amplifiées par l'émetteur sonar 23 qui commande le trans- ducteur 24 L'impulsion de report est également appliquée à un registre à décalage de 64 bits, 32, décrit ci-dessous. Si-le compteur 16 n'a pas reçu de signal d'entrée modi- fié, le préréglage du diviseur 12 reste le même et le divi- seur 12 continue, par conséquent, à produire des signaux de sortie à la fréquence divisée par 22 ( 370 k Hz) jusqu'à ce que le compteur de sons 16 atteigne un compte de 64 impulsions de report du diviseur 12 (approximativement 160 ms) et, à ce moment, il produit un signal binaire modifié sur les lignes de sortie Q 7 et Q 8 (tel que " 01 ") signal qui est appliqué au sélecteur de son 14 qui reprogramme le diviseur 12 de façon qu'il commence à diviser par 21 Ceci a pour effet la produc- tion d'un signal de sortie à 387,6 k Hz pendant approximative- ment 160 ms encore ( 64 impulsions de report) après quoi le générateur de sons produit sur les lignes Q 7 et Q 8 un signal de sortie binaire (tel que 10 ") qui instruit le sélecteur de son 14 de programmer le diviseur 12 de façon qu'il com- mence à diviser par 20 le signal de sortie de l'oscillateur Ceci a pour effet de produire un son d'une fréquence de 407 k Hz pendant environ 160 ms après quoi le compteur de sons produit un signal de sortie binaire (tel que " 11 ") qui règle le diviseur 12 de façon qu'il divise par 19, produisant un son de 428,4 k Hz Après ce son, la capacité du compteur de sons 14 est dépassée de sorte que le compteur produit un si- gnal de sortie " 00 " qui reprogramme le diviseur 12 pour qu'il divise par 22 et qui est également appliqué sur une ligne 26 et sert à restaurer la bascule de marche 20 qui met hors fonc- tion le compteur de sons et met en fonction un compteur "divi- seur par 4 " 28 Ceci termine l'impulsion émise qui est compo- sée des quatre sons étroitement rapprochés désirés et dé- clenche le mode d'écoute ou de réception. Les impulsions de report du diviseur programmable 12 sont également appliquées en tant qu'impulsions d'horloge, sur une ligne 30, à un registre à décalage 32 de 64 bits Un registre de mémoire 34 est associé au registre à décalage 32, le re- gistre 34 conservant en mémoire une configuration à forme d'onde carrée de 64 bits de large correspondant à la configura- tion escomptée du signal d'écho reçu Etant donné que les sons émis sont des sons uniformes (ondes sinusoïdales), la configu- ration mise en mémoire est un signal numérique régulier ( 1010 etc) tels que celui produit par un fort écrêtage d'une onde sinusoidale Les signaux d'écho reçus apparaissent sur un transducteur 36 et sont appliqués à un récepteur 38 qui écrête fortement les signaux reçus qui sont ensuite transmis au registre à décalage 32 dans lequel des échantillons de ces signaux sont décalés à une fréquence déterminée par les im- pulsions d'horloge du diviseur 12 La somme des signaux de sortie d'une série de circuits comparateurs à porte OU exclu- sif 40 connectés pour recevoir leurs signaux d'entrée de cha- cun des étages du registre à décalage 32 et du registre de mémoire 34 représente une comparaison continue des configura- tions'de bits des deux registres, formant un signal de sortie irrégulier dont la grandeur varie en fonction de la corréla- -tion instantanée entre les configurations-de bits, le-ssignal- de sortie étant bien plus grand aux moments o il existe une correspondance ou corrélation importante entre la configura- tion du registre à décalage et celle du registre de mémoire. Ce signal de sortie est appliqué à un circuit 42 sensible à un seuil qui ne produit un signal de sortie que lorsque la grandeur du signal de sortie de somme des circuits compara- teurs 40 est importante,représentant une corrélation instan- tanée importante entre le courant de bits circulant dans le registre à décalage 32 et la configuration de bits contenue dans le registre de mémoire 34 Ce signal de sortie apparait alors en tant que signal d'entrée d'horloge appliqué au "compteur 28 diviseur par quatre" qui produisait antérieure- ment un signal de sortie " 00 " étant donné qu'il avait été re- mis à zéro à la fin du cycle d'émission et il fait avancer le compteur 28 à un signal de sortie binaire " 01 " Ce changement est détecté par un circuit "de décodage de 01 " qui enclenche à nouveau la bascule de marche 20, mettant en fonction le compteur de sons 16 mais le préréglant en même temps à un compte de 64 de sorte qu'il commence à compter les impulsions d'horloge du diviseur 12 à 64 Ceci a pour effet que le comp- teur 16 produit un signal de sortie " 01 " sur les lignes Q 7 et Q 8 ce qui a pour résultat que le sélecteur de son 14 programme le diviseur 12 de façon qu'il divise par 21,changeant la fré- quence'des impulsions d'horloge appliquées au registre à déca- lage 32 de sorte que ce dernier cherche à établir une corréla- tion avec une fréquence reçue de 193,8 k Hz qui est le second son émis. Dans le cas o un second son apparait au niveau du trans- ducteur de réception 36 pendant la période de temps au cours de laquelle le compteur de sons 16 compte de 64 à 127,ce son est à nouveau détecté par les circuits comparateurs 40 qui transmettent, par l'intermédiaire du circuit à seuil 42, un signal d'horloge de sortie au compteur 28 "diviseur par 4 " de façon que ce dernier produise un nouveau signal de sortie binaire,tel que " 10 " Au compte 128, le compteur de sons 16 produit automatiquement sur les lignes Q 7 et Q 8 un signal de sortie " 10 " que le second son ait ou non été effectivement reçu Ceci, naturellement, prérègle le diviseur 12 de façon qu'il applique au registre à décalage 32 des impulsions d'or- loge à un rythme correspondant à la fréquence du troisième son de sorte que le registre à décalage 32 cherche à établir une corrélation avec une fréquence reçue de 203,5 k Hz Dans le cas o une telle corrélation se produit, les circuits com- parateurs 40 produisent un fort signal de sortie qui traverse le circuit à seuil 42 lequel applique à nouveau un signal de sortie au compteur 28 "diviseur par 4 ",ce qui a pour effet que le signal de sortie de ce dernier passe à " 11 ". Un circuit de décodage 44 est connecté au compteur 28 "diviseur par quatre" pour compter les corrélations trouvées dans le signal reçu Ce circuit répond à la réception d'au moins trois des quatre sons émis en appliquant un signal d'en- trée à un dispositif d'affichage (non représenté) qui peut être un afficahge à tube cathodique et qui indique qu'un but est présent. Si l'on désire fournir une indication de la distance du but,on peut le faire en utilisant un compteur 46 séparé con- necté à un oscillateur haute fréquence approprié,qui peut être l'oscillateur 10,et en comptant les cycles de l'oscillateur entre le début de la commande d'émission et le signal de sor- tie du circuit décodeur 44 La commande de comptage est réa- lisée au moyen d'une bascule ou multivibrateur de distance 48 qui reçoit la commande d'émission sur sa borne "d'enclenche- ment" de façon ainsi à provoquer le comptage des cycles de l'oscillateur et qui reçoit le signal de "but présent" du cir- cuit de décodage 44 sur sa borne de "restauration" de façon à provoquer l'arrêt du comptage par le compteur 46 Le compte peut, naturellement être facilement converti en la distance du but étant donné que la fréquence de l'oscillateur et la vitesse du son dans l'eau sont connues. La longueur du registre à décalage utilisé est impor- tante pour déterminer le pouvoir séparateur du détecteur de sons Un nombre minimal d'étages est nécessaire pour séparer deux fréquences Plus les fréquences sont proches l'une de l'autre, plus le registre à décalage doit être long et plus le temps de corrélation pour séparer les fréquences doit être long Dans le présent cas, on a trouvé qu'un registre à dé- calage de 64 bits est suffisant pour séparer des fréquences qui ne sont écartées que de 5 %. Un facteur que l'on a trouvé aiderà déterminer l'exis- tence d'échos retournés valides par rapport aux retours de réflecteurs à grand angle rasant,tels que le fond et la'sur face de l'océan,est le fait que les retours provenant d'un réflecteur ponctuel ou d'une surface perpendiculaire à l'é- metteur ne sont pas l'objet d'un allongement des impulsions tandis que ceux qui proviennent des réflecteurs à grand angle rasant sont allongés Par conséquent, le registre à décalage rejète les échos retournés par de tels réflecteurs à grand angle rasant. REVENDICATIONS 1 Un système pour corréler une série de signaux acoustiques reçus avec une série de sons uniformes étroitement rapprochés émis, ce système étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens: ( 36, 38) pour recevoir les signaux acoustiques, pour convertir ces signaux en signaux en courant électrique alternatif et pour écrêter fortement ces signaux électriques de façon à produire une série correspondante de signaux bi- naires; un registre à décalage ( 32) connecté aux moyens récepteurs et à une horloge programmable ( 10, 12) pour décaler des échantillons de la série de signaux binaires dans le registre à décalage; un registre de mémoire ( 34) contenant en mémoire une configuration de signaux binaires correspondant à une configuration d'une onde sinusoïdale fortement ecrê- tée, des moyens ( 16, 14) programmant l'horloge de façon qu'elle produise des impulsions d'horloge aux fréquences et dans llordre des sons émis pour provoquer le décalage des échantillons des séries de signaux bi- naires reçus dans le registre à décalage auxdites fréquences et dans l'ordre de l'émission; des circuits comparateurs et des moyens somma- teurs ( 40, 42) connectés au registre à décalage ( 32) et au registre de mémoire ( 34) pour comparer de manière continue les signaux binaires qu'ils contiennent et pour produire un signal de sortie d'une grandeur désirée lors de l'apparition d'une corrélation désirée entre les signaux du registre à décalage et ceux du registre de mémoire. 2 Un système de corrélation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de programmation comprennent des moyens de comptage ( 16) qui fonctionnent en réponse à réception détectée du premier desdits sons pour provoquer la commutation de la fréquence de l'horloge au second des sons pendant une période égale à la période égale à la période d'émission du second son, à la suite de quoi la fré- quence de l'horloge est successivement commutée au son suivant après écoulement de la période pendant laquelle chaque son a été émis. 3 Un système de corrélation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de décodage ( 44) qui reçoit un signal d'entrée à chaque corrélation détectée d'un son reçu avec le son émis et qui fonctionne en réponse à la réception d'une majorité dé- sirée des sons d'une impulsion émise en produisant un signal de sortie. 4 Un système de corrélation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un compteur ( 46) de mesure de distance, étalonné pour indiquer des distances, un multivibrateur ( 48) connecté pour déclencher et arrêter le compteur de distance, un oscillateur ( 10) connecté auocompteur de distance, des moyens ( 18) fonctionnant en réponse au commencement d'une commande d'émission connectés au multivibrateur pour provoquer la commande par ce dernier du compteur de façon qu'il commence à compter les cycles de l'oscillateur et des moyens répondant à un signal de sortie du circuit de décodage ( 44) connectés au multivi- brateur en provoquant l'arrêt par ce dernier du comptage par le compteur des cycles de l'oscillateur. Un système de corrélation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de programmation comprennent un oscil- lateur haute fréquence ( 10), un diviseur programmable ( 12) connecté pour recevoir les signaux haute fréquence de l'oscillateur, un sélecteur de son ( 14) connecté au diviseur programmable et capable de prérégler le diviseur de façon qu'il divise par l'un quelconque de plusieurs nombres entiers, un compteur de sons ( 16) connecté au sélecteur de son et appli- quant au sélecteur de son des signaux en code binaire pour modifier le diviseur du diviseur programmable, le diviseur appliquant des impulsions d'horloge au compteur de sons et le compteur de sons fonctionnant en ré- ponse à un nombre d'impulsions d'horloge égal au nombre d'étages du re- gistre à décalage pour modifier le code binaire de façon à changer le diviseur. 6 Un système de corrélation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de programmation comprennent des moy- ens qui fonctionnent en réponse à une commande d'émission pour commander le compteur de sons de façon qu'il commence à compter et à recevoir les impulsions d'horloge du diviseur programmable, le compteur de sons ( 16) fonctionnant en réponse à un compte maximal en produisant un signal de sortie binaire qui met le compteur de sons hors fonction, prérégle le sélecteur de son ( 14) au premier desdits sons et remet à zéro les moyens de comptage. 7 Un système de corrélation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sons émis sont constitués par une série de quatre sons dont les fréquences sont sépa- rées approximativement de cinq pour cent d'un son au suivant et qui sont émis chacun pendant une durée d'approximativement 160 millisecondes pour constituer un pseudo-hululement d'une durée d'approximativement 640 millisecondes, et en ce que le registre à décalage ( 32) et le registre il de mémoire ( 34) ont soixante quatre bits de long et le compteur de sons ( 16) compte deux cent cinquante six impulsions.