Brevet FR2534383A1 — publié le 19840413

2534383- SONAR INTERFEROMETRIQUE EN ACOUSTIQUE NON-LINEAIRE L'objet de la présente invention est un sonar interférométrique utilisant les propriétés non-linéaires du milieu marin En acoustique sous-marine la recherche d'objets sur le fond, tel que des mines, nécessite un sonar à haute résolution pour pouvoir identifier ces objets Par ailleurs la recherche de mines se fait avantageusement à des fréquences de quelques dizaines de k Hz, appelées basses fré- quences, pour pouvoir répérer des mines enfouies En effet, l'énergie acoustique ne pénètre de façon significative dans les sables et sédiments qu'à des fréquences n'excédant pas 30 k Hz De plus, les mines 'peuvent être revêtues de matériaux, appelés anéchôîques, absorbant les ondes acoustiques, mais ces matériaux ne sont très efficaces que pour les hautes fréquences. Le fait d'utiliser des basses fréquences avec une bonne réso- lution exige des antennes de dimensions importantes ou des antennes synthétiques, de technologie complexe. Il est connu notamment par le brevet français N O 77 38 092 de réaliser un sonar actif de haute résolution, ayant une antenne de réception comprenant un réseau d'hydrophones et une antenne d'émission comprenant deux transducteurs placés aux extrémités de l'antenne de réception Pour couvrir correctement un secteur angu- laire, l'émission des deux transducteurs d'extrémité se fait alterna- tivement en phase ou en opposition de phase Il est connu par ailleurs d'émettre à deux fréquences hautes et de recevoir à la fréquence différence par suite des non-linéarités du milieu de propagation Le sonar suivant l'invention permet une bonne résolution grâce à une émission interférométrique à deux fréquences et une réception à la fréquence différence. Suivant l'invention il est également possible de recevoir à la fois en haute fréquence (HF) et en basse fréquence (BF) et de disposer ainsi simultanément des informations fournies à la fois par le sonar BF et par le sonar HF Par exemple, il est ainsi possible de présenter ces deux images sur le même écran, ce qui par corrélation visuelle, améliore le pouvoir de détection et diminue le taux de fausses alarmes. Brièvement, c'est un sonar interférornétrique comprenant une antenne de réception ayant N transducteurs, une antenne d'émission ayant deux transducteurs placés aux extrémités de l'antenne de réception, caractérisé par le fait que l'émission par les deux transducteurs se fait simultanément à deux fréquences F 1 et F 2, appelées hautes fréquences, et que les signaux reçus à la fréquence différence F 1 F 2, appelée basse fréquence, sont appliqués à un dispositif de formation de voies basse fréquence et qu'après détec- tion les signaux sont appliqués à un dispositif de visualisation, que les deux transducteurs d'émission émettent en phase pour la fré- quence F 1 et alternativement en phase et en opposition de phase pour la fréquence F 2 et que les voies formées sont centrées sur les maxima des diagrammes interférométriques successifs. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la des- cription qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: * figures 1, 2 et 3, les diagrammes d'émission, de réception et d'émissionréception d'un sonar interféromètrique; figure 4, le schéma d'une antenne interférométrique d'émission; figure 5, un schéma explicatif pour l'émission non-linéaire; figure 6; un ensemble émission-réception, suivant l'invention; figure 7, des diagrammes d'émission et d'émission- réception pour les différentes voies formées, suivant l'invention; figure 8, le schéma d'un ensemble émission et réception en haute et basse fréquence. Il est connu que si deux sources rayonnent en synchronisme, le diagramme de rayonnement T ( 9) pour deux sources ponctuelles est donné par: T (O) =cos lXL sin(}l) o L est la distance des deux sources, 8 étant l'angle d'une direction avec la normale à la droite reliant ces deux sources et A la longueur d'onde, dans le milieu de propagation. Pour des sources étendues, le diagramme T(R) (figure 1) est donné par T(g) =To() D( 0): o o To(O) est donné par la relation ( 1) et D( 8) est le diagramme élémentaire de chacune des deux sources. l O Pour une antenne de réception également de longubur L comportant des transducteurs considérés comme remplissant de façon continue cette longueur L, c'est à dire pratiquement avec un écart entre transducteurs, tel que d tion R( 0) est tel que: ) sinl L sin -ri L A sin ( 2) avec une largeur à 3 d B de 0,88 / IL comme le montre la figure 2, o l'on a négligé les lobes secondaires. Le diagramme émission-réception T(a) x R(é) est d'après les relations précédentes: sinr( 2 f L sin G)/Xl 3 T(O) x R(lW)-= ( 21 L sine)/À x D ( 8) ( 3) L'expression ( 3) montre que le diagramme global a une largeur deux fois -plus faible à 3 d B, c'est à dire 0,44 A/L, ce qui correspond suivant la relation ( 2) à un diagramme pour une longueur d'antenne - de 2 L. Il est connu de traiter les signaux reçus par les transducteurs pour former m voies par compensation des retards géométriques correspondant aux m directions, repérées par des angles tel que 8 i avec i à ceux de la fonction T ( 6) de la relation ( 1). La figure 3 montre la voie centrale V 0 et les 6 voies V-3, V 2 1 ' V V et V 3 centrées sur les valeurs de (Lsin 0)/> = 3, -2, -1, 1, 2 et 3. Ces voies formées possédant des trous entre elles, on comble ces trous en faisant alternativement des émissions pour lesquelles les deux transducteurs sont en phase puis en opposition de phase. Dans ce dernier cas on obtient pour T (a): T O ( 3) = sin I(-IL/sin @)/A o ( 4) et m autres voies sont formées dans m directions repérées par les angles e i tels que sin B i = (Ki + 1/2) /L Ces voies s'intercalent entre les voies montrées par la figure 3. Une antenne d'émission suivant l'invention, est montrée par la figure 4 Les deux transducteurs d'émission SA et SB sont alimentés tous les deux simultanément par des signaux aux hautes fréquences (HF) F 1 et F 21 fournis par des générateurs G 1 et G 2 Au-delà de la zone de Fresnel les deux transducteurs émettent suivant des cônes CA et CB, figure 5, d'ouverture angulaire AIúe dans le plan de la figure, o A est la longueur d'onde associée à la fréquence moyenne (F 1 + F 2)/2 et J la longueur des deux transducteurs SA et SB distants de la longueur L. Lorsqu'une onde acoustique est émise dans l'eau, les propriétés non- linéaires du milieu font que la célérité de cette onde dépend de l'amplitude instantanée de la pression sonore, la forme sinusoïdale de cette pression se déforme pour tendre vers une forme en dents de scie. Il en résulte que si deux ondes sonores aux fréquences F 1 et F 2 dites primaires sont émises dans un même volume, elles intera- gissent pour donner tous les produits d'intermodulation, dont en particulier le signal à la fréquence F 2 + F 1 qui se trouve rapidement absorbé et le signal recherché à la fréquence F 2 F 1. L'antenne qui rayonne cette basse fréquence n'est donc pas l'antenne, mais tout le volume "insonifié" par les deux fréquences primaires Cette antenne allongée, faite d'eau, rayonne sa basse fréquence dans le sens de la propagation des ondes primaire. Il est connu que la zone de Fresnel s'étend pratiquement jusqu'à la distance d = f 21,x ( 5) Le point d'intersection des deux cônes CA et C au point P est à la distance D = e L/A ( 6) et d'après les relations ( 5) et ( 6) D/d = L/É, d'o D/d " I car L > 7 e et la zone Zc dans laquelle il y a interférence en haute fréquence est bien au-delà de la zone de Fresnel Par conséquent,l'interaction non- linéaire génère dans l'eau, au niveau des 2 cônes d'émission CA et CB, 2 sources basse fréquence F 1 F 2 séparées de L, la zone d'interaction Zc étant suffisamment éloignée pour que son influence soit négligeable Un calcul classique en acoustique non-linéaire montre en effet que la longueur du volume d'eau intercepté par les 2 cônes d'émission est suffisante pour générer les deux sources BF On obtient ainsi un interféromètre basse fréquence à l'émission. On forme m voies BF en réception sur l'antenne de longueur L et le produit -émission-réception a un diagramme de rayonnement basse fréquence 2 fois plus directif que celui d'une antenne classique. De même que pour l'interféromètre HF on doit pouvoir déphaser l'émission de Q pour former 2 m-1 voies dans tout un secteur angulaire Sur la figure 4 on a représenté un déphaseur, 40, pour le signal à la fréquence F 1 on émet alternativement sans déphasage et avec déphasage de 1 I sur le signal à F 1 Notons que le déphasage de XI 1 peut être appliqué indifféremment soit sur le signal à F 1, comme indiqué en exemple, soit sur le signal à F 2. Suivant un exemple de réalisation, de l'invention, d'un sonar de recherche d'objets immergés, à haute résolution, avec une émission interférométrique on a les caractéristiques suivantes: première haute fréquence, F 1 = 160 k Hz; seconde haute fréquence, F 2 = 190 k Hz; haute fréquence moyenne, (F 1 +F 2)/2 = 175 k Hz; longueur d'onde d'émission HF moyenne, à = 8,57 mm; distance entre les transducteurs d'émission = I 71 AY 1,5 m; dimensions des transducteurs d'émission, longueur = 7 > n-60 mm; hauteur = 4 A 34 mm; fréquence de réception BF, F 2-F 1 = 30 k Hz; longueur d'onde de réception = 50 mm. L'antenne de réception est une base d'hydrophone plane et sensible à la basse fréquence F 1 F 2 Les signaux reçus sont traités de façon conventionnelle pour former des voies. La figure 6 montre schématiquement cette réalisation L'émis- sion se fait simultanément par les deux transducteurs d'extrémité SA et SB aux fréquences F 1 et F:; Pour la fréquence F 2 les signaux émis par les deux transduc- teurs sont constamment en phase Par contre pour la fréquence F 1 les signaux émis sont alternativement en phase et en opposition de phase, pour qu'il en soit de même pour les signaux générés à la fréquence différence F 2 F 1. Pendant chacune de ces séquences on forme m-I voies, ce qui permet de surveiller un secteur angulaire sans trous. Les signaux d'émission aux fréquences F 1 et F 2 sont fournis par les générateurs Il Ces signaux sont amplifiés par l'amplifi- cateur 10 A et appliqués au transducteur SA Le signal corres- pondant à la fréquence F 1 est appliqué à un déphaseur O ou Y commandé par un signal d'horloge H Le signal fourni par le déphaseur commandable 20 est appliqué ainsi que le signal à la fréquence F 2 à un amplificateur 1 O B Les signaux amplifiés sont appliqués au transducteur SB' Le déphasage de -R sur le signal émis à F 1 par le transducteur SB produit ce déphasage sur le signal basse fréquence, qui se trouve parmi les produits d'intermodulation, crées par le milieu non- linéaire, dans le cône d'eau situé devant SB' Les amplificateurs de puissance M O A et 10 B de ces transduc- teurs permettent de délivrer une puissance supérieure au kilowatt par transducteur Cette puissance se traduit par un niveau sonore HF de 125 d B par élément (réf IV/lf B) Les calculs classiques en acoustique nonlinéaire montrent que le niveau sonore BF qui en résulte à 30 k Hz sera de l'ordre de 95 d B Les sources SA et SB se comportent donc comme deux projecteurs BF à 30 k Hz délivrant un niveau sonore de 95 d B (réf IV/lj I B). L'antenne de réception comprend les N hydrophones 3 1 3 i, 3 N Les signaux reçus à la fréquence F 2-F 1 sont amplifiés par les amplificateurs 30 1, 30 i 30 N et les signaux amplifiés sont appliqués aux circuits de formation de voies 31. La formation de voies se fait de façon connue par addition et déphasage ou retard des signaux et permet de former en parallèle plusieurs voies dans des directions d'écoute différentes. Le déphasage O ou T 3 par le circuit 20 est commandé par une horloge H, qui commande également les circuits de formation de voies en basse fréquence On forme ainsi les voies B 1, B 3 pendant une séquence et les voies B 2 B 4, pendant l'autre séquence, corres- pondant au déphasage TW. Ces voies sont ensuite détectées et multiplexées de façon connue par le circuit 32 et les signaux fournis sont appliqués à un ensemble de visualisation 33. A titre d'exemple on prend N = 7 hydrophones espacés de 3,5 -A, o A est la longueur d'onde correspondante à la basse fréquence k Hz. La figure 7 montre les diagrammes ainsi obtenusSur la ligne a on a représenté le diagramme d'émission en basse fréquence (EO), qui correspond à une interféromètrie basse fréquence donnant les lobes cosinusoldaux suivant la relation ( 1) de largeur à 3 d B de 1,250 (L = 171) modulé par le diagramme d'émission d'un transducteur 7 = 7 A) en haute fréquence Sur la ligne b on représente le diagramme d'émission avec un déphasage de ff en basse fréquence E 11 entre les deux émissions Dans ce cas on obtient des lobes sinusoïdaux suivant la relation ( 4). Sur la ligne c on montre le diagramme émission-réception (E R) (déphasage nul) o l'on a représenté des voies paires B 2, B 4, B 6 À Sur la ligne d on a représenté (Er R), avec les voies impaires Bi, B 3, B 5, B 7 (déphasage-T). Finalement sur la ligne e on a représenté à la fois les voies paires et impaires, on couvre donc tout le secteur de 8,75 corres- pondant au diagramme HF, d'émission d'un seul transducteur, D(e). Suivant l'invention on peut obtenir un interféromètre HF qui est combiné avec l'interféromètre BF qui vient d'être décrit, mais il faut un nombre suffisant d'hydrophones de l'antenne de réception HF de manière à rejeter les lobes images au-delà du secteur d'écoute correspondant à une émission. Avec l'exemple précédent, le secteur d'écoute est égal à 8,75 soit une distance entre récepteurs au plus égale à 6,57 A à la fréquence F 1 ou F 2 Pour obtenir une antenne de réception unique HF et BF, on choisit une distance entre hydrophones égale à 5,83 à, ce qui donne une antenne comportant 31 hydrophones dont 7 sont utilisés à la fois pour recevoir la BF et HF. Le système combinant les deux interféromètres BF et HF est représenté sur la figure 8 On retrouve les éléments de l'inter- féromètre BF, c'est-à-dire principalement les deux sources SA et SB, l'antenne de réception dont seuls les hydrophones tels que 3, c'est-àdire I sur 5, sont pris en compte dans l'ensemble 31 de formation des voies BF. L'interféromètre HF comprend les deux sources SA et SB, l'antenne de réception dont tous les hydrophones, tels que 3 et 4 sont pris en compte dans l'ensemble 41 de la formation des voies HF. Après détection et multiplexage dans les circuits 32 et 42, les deux ensembles de voies formées HF et BF sont envoyées simulta- nément dans un ensemble de visualisation 50 du secteur angulaire d'écoute (représentation azimuth-distance) A chaque ensemble est affecté une couleur spécifique permettant de distinguer, pour les comparer, les informations HF et BF Pour cela un léger décalage angulaire entre les deux est introduit au niveau de la visualisation. Bien entendu les signaux HF et BF peuvent être visualisés séparément. Suivant une variante de l'invention on associe deux sonars interférométriques distincts, l'un BF comme représenté sur la figure 6, l'autre HF comme décrit dans le brevet français 77 38092. Suivant une autre variante de l'invention, on associe ce sonar interféromètre BF avec un sonar HF classique, c'est à dire ne comportant pas d'interféromètrie. REVENDICATIONS 1 Sonar interféromètrique en acoustique non-linéaire compre- nant une antenne de réception ayant N transducteurs ( 3 1, 3 N) et une antenne d'émission ayant deux transducteurs (SA, SB), placés aux extrémités de l'antenne de réception, caractérisé par le fait que l'émission par les deux transducteurs se fait simultanément à deux fréquences F 1 et F 2 appelées hautes fréquences, et que les signaux reçus à la fréquence différence F 1-F 2, appelée basse fréquence, sont appliqués à un dispositif de formation de voies basse fréquence ( 31) et qu'après détection ( 32) les signaux sont appliqués à un dispositif de visualisation ( 33), que les deux transducteurs d'émission (SA, SB) émettent en phase pour la fréquence F 1 et alternativement en phase et en opposition de phase pour la fréquence F 2 et que les voies formées sont centrées sur les maxima des diagrammes inter- féromètriques. 2 Sonar interféromètrique suivant la revendication 1, caracté- risé par le fait que la distance L entre les transducteurs d'émission (SA, SB) est telle que L " >, o P est la longueur de ces transducteurs. 3 Sonar interféromètrique suivant la revendication I caracté- 0 risé par le fait que l'antenne de réception comprend des transduc- 2 O teurs ( 3) pour la formation de voies basse fréquence et que des transducteurs supplémentaires ( 4) sont placés entre les transduc- teurs basse fréquence ( 3), capables également de recevoir la haute fréquence, et que les signaux reçus par l'ensemble des transducteurs ( 3, 4) sont appliqués à un dispositif de formation de voies haute fréquence ( 41), les voies formées en basse fréquence (BB) et en haute fréquence (BH) sont détectées et multiplexées et sont appli- qués à un même dispositif de visualisation ( 50). 4 Sonar interféromètrique suivant la revendication 3 caracté- risé par le fait que la visualisation simultanée en haute et en basse fréquence est obtenue par deux chrominances et un léger décalage angulaire. l 1 Sonar interférométrique suivant la revendication 1, caracte- risé par le fait que le dispositif de vivualisation ( 33) reçoit les signaux de voies d'un sonar interféromètrique haute fréquence distinct. 6 Sonar interféromètrique suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le dispositif de visualisation ( 33) reçoit les signaux de voies d'un sonar haute fréquence distinct non interféro- métrique.