Brevet FR2519424A1 — publié le 19830708

L'invention a pour objet un dispositif de télémesure acous- tique pour la détermination de la position relative d'un objet immergé par rapport à un véhicule. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de télémesure acoustique pour la détermination de la position d'un objet tracté en immersion par rapport au navire tracteur Cet objet tracté est, par exemple, un corps profilé ou "poisson" relié par un câble à un navire et contenant des appareils océanographiques Il évolue en immer- sion à une certaine distance du fond et contient, par exemple, un écho- sondeur, un sonar Doppler ou un sonar latéral adaptés à déterminer sa trajectoire par rapport au fond de la-couche d'eau ou à produire des échogrammes de la surface du fond ou des couches sous-jacentes -Un tel poisson est décrit, par exemple, dans le brevet français numéro 2 412 853. Lorsque le navire se déplace sur des grands fonds, la longueur du câble qui le relie au poisson peut atteindre de très grandes longueurs (plusieurs kilomètres) Du fait de la traînée du câble de remorquage, des variations de la vitesse de traction et des courants, la position du poisson peut varier dans de notables proportions, ce qui rend difficile sa localisation précise. Une première méthode connue consiste à immerger au fond de l'eau un ensemble de balises dont les emplacements sont connus et à déterminer par rapport à celles-ci, à la fois la position du navire tracteur et celle du poisson immergé Cette méthode requiert, lorsque la zone d'évolution du navire est étendue, l'immersion d'un grand nombre de balises de repérage ou leur déplacement fréquent et son application est rendue difficile de ce fait. Une seconde méthode connue, utilisable quelles que soient les dimensions des zones de navigation, consiste à déterminer par des moyens acoustiques la position relative du poisson par rapport au navire, la position de ce dernier étant déterminéeen utilisant des sys- tèmes de repérage en mer d'un autre type connu tel que des systèmes de positionnement par radio. On connait un dispositif mettant en oeuvre cette seconde méthode qui comporte des capteurs d'ondes acoustiques fixés sous le navire au voisinage les uns des autres et un émetteur d'impulsions - acoustiques disposé dans le poisson Un système de télémétrie acous- tique est adapté à mesurer la durée de propagation d'impulsions acoustiques transmises depuis l'émetteur et reçues respectivement par les capteurs L'instant initial servant de référence pour la mesure des intervalles de temps est celui o un ordre d'émission est transmis par le câble reliant le navire au poisson pour activer l'émetteur d'im- pulsionsdisposé dans celui-ci. On connait un autre dispositif appliquant la même méthode et comportant également des capteurs d'ondes acoustiques fixés sous le navire au voisinage les uns des autres, un émetteur d'impulsions acoustiques solidaire du poisson et aussi un système de télémétrie mesurant les intervalles de temps de propagation d'impulsionsacoustiques entre l'émetteur et les capteurs Il se distingue du précédent essen- tiellement par, le fait que l'ordre d'émission est transmis à l'émetteur situé dans le poisson par un signal acoustique se propageant dans l'eau depuis le navire. La méthode connue consistant à transmettre un signal acous- tique depuis le poisson pour le recevoir sur le navire, présente des inconvénients Le signal très affaibli par la propagation depuis l'objet est reçu dans une zone de bruits forts (bruits de machines, de vent, de vagues, bruits engendrés par la navigation en surface, etc) et le rapport du signal au bruit est faible, ce qui nuit à la précision des mesures de télémétrie effectuées En outre, les capteurs d'ondes acoustiques sont généralement fixés sous la coque du navire à proximité immédiate les uns des autres, ce qui affecte encore défavorablement la précision des mesures effectuées. La méthode selon l'invention permet de déterminer la position relative d'un objet immergé par rapport à un véhicule Elle est remar- quable en ce qu'elle comporte l'émission d'ondes acoustiques en plu- sieurs emplacements différents du véhicule, la détection sur l'objet immergé des ondes acoustiques émises depuis le véhicule, la mesure 19424 d'intervalles de temps ou de déphasages dépendant des distancés par- courues par les ondes acoustiques entre les emplacements d'émission du véhicule et l'objet immergé, la transmission au véhicule depuis l'objet immergé des mesures d'intervalles de temps effectuées et la détermina- tion de la position relative de l'objet immergé par rapport au véhicule, par combinaison des différentes mesures transmises et de paramètres dépendant des distances entre les emplacements d'émission. Suivant une première variante, les ondes acoustiques émises depuis les différents emplacements ont même fréquence et sont émises successivement Suivant une seconde variante, les ondes acoustiques émises depuis les différents emplacements ont des fréquences distinctes les unes des autres et sont émises simultanément La transmission des mesures au véhicule depuis l'objet immergé est effectuée de préférence par l'intermédiaire d'un câble de traction reliant l'objet au véhicule. La méthode selon l'invention présente par rapport aux méthodes antérieures, l'avantage que la réception des ondes acoustiques émises s'effectue loin de la surface dans des eaux calmes L'objet immergé est en général bien profilé et le bruit propre dû à sa trainée hydrodynamique, est très faible par rapport aux bruits de diverses origines liés à la navigation en surface Le rapport du signal au bruit obtenu par la méthode selon l'invention est par conséquent bien meilleur. Ceci se traduit par un accroissement de la précision obtenue dans la mesure des temps de propagation des signaux acoustiques ou de leurs phases relatives car, ainsi qu'il est bien connu des spécialistes, les erreurs faites sur ces mesures sont inversement proportionnelles à la racine carré du rapport énergétique du signal au bruit. Le dispositif de mise en oeuvre est remarquable en ce qu'il comporte des moyens d'émission d'ondes acoustiques en plusieurs empla- cements différents du véhicule, un élément-horloge adapté à engendrer un signal définissant une base de temps, un élément de synchronisation contrôlé par l'élément-horloge pour engendrer des impulsions de même durée et de même fréquence décalées dans le temps, ces impulsions étant respec- tivement transmises aux différents moyens d'émission, un ensemble de ré- ception des impulsions qui se sont propagées jusqu'à l'objet immergé, des moyens de chronométrage et un ensemble de mesure de déphasage adaptésà mesurer des intervalles de temps de propagation des différentes impulsions émises en fonction de la période du signal engendré par l'élément-horloge, un système de transmission des mesures-depuis l'objet immergé jusqu'au véhicule, un moyen de mesure de la profondeur d'immersion de l'objet et un calculateur pour la détermination des coordonnées de l'objet par rapport au véhicule, en fonction des mesures d'intervalles de temps transmises. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention et de son dispositif de mise en oeuvre apparaitront à la lecture de la description qui suit et en se référant aux dessins annexés sur lequels: - la figure 1 représente un objet immergé relié à un véhicule de surface par un câble; la figure 2 représente schématiquement une disposition des moyens d'émission sous le véhicule et le système d'axes (O, x, y, z) permet- tant de définir la position de l'objet par rapport au véhicule; - la figure 3 représente une projection sur le plan Oxy des em- placements d'émission et de la position de l'objet immergé la figure 4 représente les chronogrammes des différentes impulsions acoustiques émises et reçues suivant une première variante de la méthode la figure 5représente les chronogrammes de ces mêmes impulsions suivant une seconde variante de la méthode; et la figure 6 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre de la première variante de la méthode. Le système selon l'invention est adapté, par exemple, à déterminer la position d'un corps profilé ou "poisson" 1 (figure 1) par rapport à un véhicule tel qu'un navire 2 auquel il est relié par un câble multifonctions 3 comportant des câbles de traction et des conducteurs électriques permettant de transmettre des données entre des appareils océanographiques et électroniques d'un type quelconque contenus dans le poisson et des appareils d'exploitation de ces 19424 données installés sur le navire tracteur 2 Un déflecteur 23, d'un type connu est fixé à l'extrémité inférieure du câble 3 pour maintenir le poisson 1 en immersion profonde. Les transducteurs émetteurs 4, 5, 6 (figure 2) assurant l'émission des ondes acoustiques sont fixés à la coque du-navire 2 en des emplacements écartés le plus possible les uns des autres et incorporés de préférence dans des corps profilés pour réduire les turbulences d'écoule- ment Ces corps (non représentés) sont par exemple, fixés magnêtiquement à la coque du navire La commande des transducteurs émetteurs qui y sont inclus, est effectuée à travers la coque du navire par un couplage acoustique ou magnétique Les corps profilés peuvent également être fixés à demeure sous la coque du navire, et leur commande être assurée par des conducteurs électriques de liaison traversant la coque. t Deux des transducteurs ( 4, 5) sont disposés sur un axe per- pendiculaire à l'axe longitudinal du navire en deux emplacements A, B symétriques par rapport à celui-ci Le troisième transducteur 6 est disposé en un point C sur l'axe longitudinal L'écartement latéral des deux transducteurs 4 et 5 et la distance entre le point C et l'axe transversal joignant A et B sont choisis les plus grands possibles dans des limites compatibles avec les dimensions du navire On désigne par M l'emplacement du poisson 1 o est fixé un transducteur récepteur 7, par Ox, Oy, Oz un système de trois axes orientés respectivement suivant l'axe longitudinal du navire, suivant l'axe transversal passant par les points A, B et suivant la verticale et dont l'origine est fixée au milieu du segment AB, par X, Y, Z les coordonnées du point M dans ce système d'axes, et par R la distance OM L'angle que fait la projection OM' de OM sur le plan x Oy avec l'axe y est désigné para, celui que fait cette même projection avec OM est désigné par P. La projection du segment AB (figure 3) sur la direction OM' est désignée par rx et la projection du segment OC sur la même direc- tion est désignée par r Enfin, on désigne par d et d' respectivement les distances AB et OC. 19424 On démontre facilement que les coordonnées X,,Y du point M par rapport au système d'axes 0, x, y, z lié au navire s'obtiennent par les relations suivantes X =d' rx Cos W ( 1) Rd Y = R r Cos ç d y Pour déterminer la profondeur Z d'immersion du poisson 1, on incorpore dans celui-ci un dispositif (non représenté) de mesure de pression. Les valeurs de R, rx, r permettant, en combinaison avec les xy valeurs de Z données par le dispositif de mesure de pression et les valeurs de d et d' connues par construction, de calculer les coordonnées du poisson par rapport au navire, sont obtenues par des mesures télé- métriques. Suivant une première variante de la méthode, chaque cycle d'émission-réception d'ondes acoustiques comporte (figure 4) l'émission au point A à un instant t 1 d'une impulsion E de durée At et de fréquence déterminée f, puis l'émission au point C d'une seconde impulsion identi- que E 2 à partir d'un instant t 2 ultérieur à t 1 puis enfin l'émission - au point B d'une troisième impulsion E 3 également identique, à partir d'un instant t 3 postérieur à t 2 Ces trois impulsions se propagent vers le poisson immergé et sont reçues successivement par le transducteur récepteur 7 disposé au point M, à des instants t'l, t'3, t'2 dépendant des durées de propagation respectives des signaux En général, t'2 est postérieur à t'3 du fait de l'écartement d' choisi Comme les impulsions transmises sont déformées par la propagation, on amplifie les signaux acoustiques reçus Ri, R R 2 et on les remet en forme, de manière à pou- voir déterminer avec précision leurs instants d'arrivée respectifs t'l, t'3, t'2 Cette remise en forme comporte par exemple une comparaison de l'amplitude des signaux avec une valeur-seuil déterminée. On désigne par T E l'intervalle de temps (tl, t 3) entre les fronts montants FE et FE 3 des impulsions E 1 et E 3, par T l'intervalle de temps (t 2, t'e) entré le front montant de FE 2 de l'impulsion E 2 et ,,' 251942 l'instant o l'amplitude de l'impusion reçue R franchit la valeur- seuil, par Tx l'intervalle (t', t'3) entre les instants o les ampli- tudes des impulsions R 1 et R 3 atteignent la valeur-seuil et enfin par Ty l'intervalle (t'l, t'2) entre les instants o les amplitudes des impulsions R et R atteignent également la valeur-seuil requise. 11 2 On montre facilement que, en mesurant les intervalles de l'z temps T, Tx, Ty et la profondeur Zs et en utilisant la valeur prédé- terminée de TE, on calcule les différents paramètres requis: R, rx, 3 i r et Cosp par les relations suivantes: t/ y- -" 10 R = c(T + k Tx) rx = c(Tx TE) ( 2) r = c(Ty k Tx) y Cos P = 1 2/2 R c désignant la célérité des ondes acoustiques dans l'eau et k un nombre égal au rapport entre les intervalles de temps (t 2-t 1) et (t 3-t) Les valeurs de R, r, r, Cosp étant déterminées, on calcule alors les coordonnées X et Y du point M en appliquant les relations ( 1). Les intervalles de temps, (t 2-tl), (t 3-t 2) sont choisis pour que, quelle que soit 'la position du point M dans les conditions réelles de fonctionnement, les impulsions R 1, R 3 et R 2 soient reçues consécutivement, de manière à pouvoir associer sans ambiguïté les impulsions reçues avec les impulsions correspondantes émises. Suivant une seconde variante de la méthode (figure 5), les impulsions E 1, E 2 et E 3 sont émises simultanément mais leurs fréquences respectives fli f 2, f 3 sont différentes les unes des autres, de manière à pouvoir distinguer sans ambiguïté leurs instants successifs d'arrivée t 1, t'3, t'2 au point M de l'objet Les relations permettant de déter- miner R r, r, et Cos W sont identiques à celles du groupe ( 2) mais ici les intervalles de temps TE et t 2-t sont réduites à zéro. D'après les relations ( 1) et ( 2) et quelle que soit la variante utilisée, on voit que, en disposant les points d'émission A, B, C en des emplacements de la coque du navire les plus éloignés les uns des autres, on accroit les valeurs de d et d' et les écarts de temps de propagation Tx, Ty, pour une valeur T E déterminée, et par conséquent, on diminue les erreurs relatives faites sur les mesures de r, r et les coordon- nées X, Y. Si l'on se reporte à la figure 6, on voit que le dispositif de mise en oeuvre comporte un ensemble N 1 disposé dans le poisson et un ensemble N 2 disposé sur le navire Ces deux ensembles étant interconnectés par des conducteurs électriques 8 inclus dans le câble de liaison 3 (figure 1). L'ensemble-N 1 comporte un ensemble de réception 9 adapté à amplifier et mettre en forme les impulsions acoustiques reçues par le transducteur 7 (figure 2), de manière à déterminer les instants succes- sifs t'1, t'2, t'3 (figures 4 et 5) o les amplitudes respectives de ces impulsions atteignent par exemple une valeur-seuil déterminée Il comporte également un élément de chronométrage 10, un ensemble de mesure de déphasage 11 d'un type connu, un dispositif de mesure 14 comprenant une capsule manométrique, adapté à engendrer un signal représentatif de la profondeur d'immersion du poisson, un élément- horloge 12 qui engendre un signal périodique définissant une échelle de temps, et un multiplexeur 13 La sortie de l'ensemble de réception 9 est connectée à l'entrée de l'élément de chronométrage 10 et l'entrée de l'ensemble de mesure de déphasage 11 Les sorties de l'élément 10, de l'ensemble 11 et du dispositif de mesure de pression 14 sont connec- tées respectivement aux entrées du multiplexeur 13 La sortie de l'élémenthorloge 12 est connectée à une entrée de l'élément de chronométrage l Ode l'ensemble de mesure de déphasage 11 et du-disposi- tif de mesure de pression 14 Les sorties du multiplexeur 13 sont connectées aux conducteurs électriques 8. L'ensemble N 2 comporte un démultiplexeur 15 dont les entrées sont connectées à l'autre extrémité des conducteurs électriques 8 Une sortie du démultiplexeur 15 est connectée à une première entrée d'un calculateur 16 Une seconde entrée de celui-ci est connectée à une cen- trale de verticalité 17 adaptée à engendrer des signaux de correction permettant de tenir compte des effets du tangage et du roulis Une troisième entrée du calculateur 16 est connectée à un gyro-compas 18 19424 adapté à engendrer des signaux de correction pour tenir compte des variations de cap du navire Une seconde sortie du démultiplexeur est connectées l'entrée d'un élément de synchronisation 19 adapté à engendrer des impulsions de commande de fréquence f et de durée At aux instants t 1, t 2, t 3 (figure 4) La fréquence f est choisie égale à un sous-multiple de la fréquence du signal engendré par l'élément horloge ( 12), par exemple Les impulsions de commande sont respecti- vement transmises aux entrées de trois amplificateurs 20, 21, 22 dont les sorties sont connectées respectivement aux trois transducteurs -émetteurs 4, 5, 6 Chacun d'eux, associé à son amplificateur, constitue un ensemble d'émission. Les mesures de temps et/ou de déphasages effectuées par l'en- semble N 1 sont transmises à l'ensemble N 2 sous forme numérique, ce qui évite toute dégradation de l'information quelle que soit la longueur du câble reliant le navire au poisson Les bits constituant les mots numériques transmis sont émis sur les conducteurs 8 à une cadence déter- minée par l'élément-horloge 12 Le signal engendré par celui-ci est utilisé de ce fait pour synchroniser l'ensemble du dispositif. Le dispositif fonctionne de la manière suivante Une impulsion de référence, constituée par exemple par un front montant du signal émis par l'élément-horloge 12, est transmise à l'instant t 1 vers l'ensemble N 2 en surface par les conducteurs 8 et en même temps, est utilisée pour initialiser l'élément de chronométrage 10 qui commence à compter les impulsions d'horloge successives L'impulsion de référence est reçue par l'élément de synchronisation 19 qui engendre un premier signal impulsionnel E 1 de fréquence f et de durée At qui est transmis à l'amplificateur 20 puis un second signal E 2 et un troisième signal E 3, transmis respectivement aux amplificateurs 21 et 22 aux instants t 2 et t 3 l'intervalle de temps TE séparant le premier et le troisième signal engendrés étant un multiple de la période du signal dliorloge Les signaux impulsionnels amplifiés sont appliqués successi- vement aux transducteurs 4, 5 et 6 et transmis dans l'eau. Le transducteur 7 reçoit successivement les impulsions qui se sont propagées depuis le navire jusqu'au poisson et l'ensemble de réception 9 les amplifie et les met en forme Les fronts montants des impulsions R 1 R 3, R 2 remises en forme définissant les instants R 13, 2 successifs t'l, t'3, t'2 sont transmis à l'élément de chronométrage qui détermine les nombres de périodes du signal d'horloge accumulées entre l'instant initial t 1 et lesdits instants avec une marge d'erreur égale au plus à une période du signal d'horloge. Pour affiner les mesures, les signaux R 1 R 3 R 2 reçus succes- sivement par l'ensemble de réception sont également appliqués à l'en- semble de mesure de déphasage 11 Celui-ci mesure les déphasages infé- rieurs à une unité de temps entre les signaux reçus et le signal engendré par l'élément-horloge 12. Le multiplexeur 13 connecte séquentiellement l'élément de chronométrage 10, l'ensemble de mesure de déphasage 11 et le dispositif de mesure de pression 14 aux conducteurs 8 du câble Les données reçues séquentiellement par l'ensemble N 2 sont démultiplexées par l'élément puis transmises au calculateur 16 qui procède aux calculs des intervalles de temps T, Tx, Ty (figure 4) puis des paramètres R, rx, ry et Cos p, en accord avec le groupe de relations ( 2) puis enfin des coordonnées X, Y en accord avec le groupe de relations( 1) Le calcula- teur 16 est adapté à intégrer dans ses calculs les données fournies par la centrale de verticalité 17 et le gyro-compas 18. Le type de multiplexeur 13 est choisi en fonction du nombre d'appareils océanographiques contenus dans le poisson en plus des élé- ments de l'ensemble N 1 du dispositif de télémesure, qui doivent trans- mettre vers le navire les informations qu'ils ont collectées. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant les conducteurs électriques de liaison 8 par tout autre moyen de trans- mission de données. 19424 REVENDICATIONS 1 Méthode de télémétrie acoustique pour la détermination de la position relative d'un objet immergé par rapport à un véhicule, carac- tériséeen ce qu'elle comporte l'émission d'ondes acoustiques en plusieurs emplacements différents du véhicule, la détection sur l'objet immergé des ondes acoustiques émises depuis le véhicule, la mesure d'intervalles de temps ou de déphasages dépendant des distances parcourues par les- ondes acoustiques entre les emplacements d'émission et l'objet immergé et la transmission au véhicule depuis l'objet immergé des mesures d'in- tervalles de temps effectuées et la détermination de la position relative de l'objet immergé par rapport au véhicule, par combinaison. des différentes mesures transmises et de-paramètres dépendant des distances entre les emplacements d'émission. 2 Méthode selon la revendication 1, caractériséeen ce que les ondes acoustiques émises depuis les différentsemplacements ont une fréquence identique et sont émises successivement. 3 Méthode selon la revendication 1, caractériséeen ce que les ondes acoustiques émises depuis les différents emplacements ont des fréquences distinctes les unes des autres. 4 Méthode selon la revendication 1, caractériséeen ce que la trans- mission des mesures au véhicule depuis l'objet immergé est effectuée par l'intermédiaire d'un câble ( 3) reliant ledit objet au véhicule. Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode suivant la reven- dication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des enqembles d'émission d'ondes acoustiques en plusieurs emplacements différents du véhicule, un élément-horloge ( 12) adapté à engendrer un signal définissant une échelle de temps, un élément de synchronisation ( 19) contrôlé par l'élément-horloge, pour engendrer des impulsions de même durée et de même fréquence décalées dans le temps, ces impulsions étant respective- ment transmises aux différents ensembles d'émission, des moyens de réception ( 7, 9) des impulsions qui se sont propagées jusqu'à l'objet 19424 immergé, des moyens de chronométrage ( 10) et un ensemble de mesure de déphasage ( 11) adaptésà mesurer des intervalles de temps de propa- gation des différentes impulsions émises en fonction de la période du signal engendré par l'élément-horloge, un système de transmission des mesures depuis l'objet immergé juqu'au véhicule, un moyen ( 14) de mesure de la profondeur d'immersion de l'objet et un calculateur ( 16) pour la détermination des coordonnées de l'objet par rapport au véhicule en fonction des mesures des intervalles de temps de propagation transmis, 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce-que le système de transmission comporte un multiplexeur ( 13) adapté à connecter séquentiellement au câble les moyens de chronométrage ( 10), l'ensemble ( 11) de mesure-de déphasage et le moyen de mesure de la profondeur d'immersion ( 14), et un démultiplexeur ( 15) connecté au câble d'une part et au calculateur ( 16) et à l'élément de synchronisation ( 19) d'autre part. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de chronométrage ( 10), l'ensemble ( 11) de mesure de déphasage, et le moyen de mesure de profondeur ( 14) sont disposés à l'intérieur de l'objet et sont adaptés à produire des signaux sous forme numérique, à une cadence déterminée par le signal issu de l'élément-horloge. 8 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cal- culateur ( 16) est associé à une centrale de verticalité ( 17) et un gyro- compas ( 18). 9 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les en- semblesd'émission comportent trois transducteurs ( 4, 5, 6) non alignés définissant un système d'axes lié au véhicule par rapport auquel la position de l'objet est déterminée. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les transducteurs sont disposés en des emplacements du véhicule éloignés les uns des autres.