Brevet FR2553520A1 — publié le 19850419

SYSTEME DE GONIOTELEMETRIE La présente invention se rapporte à un système de goniotélémétrie et notamment à un système comportant des dispositifs de mesures acoustiques et des dispositifs de mesures magnétiques pour localiser des mobiles par leur bruit acoustique rayonné et par le champ magnétique terrestre qu'ils perturbent Un tel système est particulièrement applicable à la localisation de bateaux Il convient à la localisation des navires par des mines so USmarines posées ou ancrées sur le fond de la mer. Il est connu de localiser la position d'un bateau à l'aide de trois goniomètres acoustiques situés en des points différents Chaque goniomètre 10 détermine, à partir du bruit acoustique rayonné par le bateau, une direction de propagation des ondes émises L'ensemble des mesures des trois goniomètres permet d'obtenir la position du bateau Cependant, il s'avère que les résultats sont peu précis en raison des distances à considérer et des difficultés de positionnement précis des goniomètres. Une autre solution consiste à effectuer des mesures magnétiques du champ magnétique perturbé par le bateau On peut prévoir dans ce cas un magnétomètre trlaxial mesurant les trois composantes du champ magnétique extraites au point de mesure ainsi que plusieurs appareils de mesure de gradient de champ magnétique Cette solution donne également des résul20 tats peu précis et difficiles à exploiter. La présente invention fournit un système de mesure fournissant des résultats précis et aisément exploitables Il présente de plus l'avantage, d'une part, d'être facilement mis en oeuvre et, d'autre part, d'occuper peu de place ce qui lui permet d'être placé dans tout engin, telle qu'une mine, 25 placée au fond de la mer. L'invention concerne donc un système de goniotélémétrie permettant notamment de localiser un mobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier et un deuxième goniomètres acoustiques ( 2-3, 4-5) situés dans un même plan, au moins un magnétomètre triaxial, au moins un 30 gradientmètre de champ magnétique ( 6) ainsi qu'un dispositif de calcul ( 80) connecté aux goniomètres ( 2-3, 4-5), au magnétomètre triaxial et au gradientmètre de champ magnétique ( 6) recevant des informations de mesure de ces dispositifs et fournissant en échange un résultat de mesure de position d'un mobile. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avan5 tages apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 fournit un schéma explicatif d'un système de localisation, la figure 2 fournit un schéma explicatif d'un système de localisation acoustique selon l'art antérieur, la figure 3 fournit un schéma explicatif d'un système selon l'invention, la figure 4 représente un exemple de réalisation d'un système selon l'invention, la figure 5 fournit un exemple de réalisation de circuits d'un système 15 selon l'invention, la figure 6 représente un exemple de réalisation d'un système de mesures magnétiques utilisable dans le cadre d'un système selon l'invention, la figure 7 représente un exemple d'installation d'un système selon l'invention sur une mine sous-marine. Si on considère un point M situé dans un trièdre Oxyz comme représenté en figure 1, localiser ce point M à partir d'un point de mesure O, c'est obtenir le rayon vecteur donc la mesure de IOMI et des trois cosinus directeurs par rapport au trièdre de référence lié à O. Pour garder une notation indicielle, on adopte les notations suivantes: 25 u 1 = x, u 2 = y et u 3 = z, soit ui avec i = 1, 2 et 3 se rapportant respectivement aux directions x, y et z. Dans le cas o le point M ne peut évoluer que dans un demi-espace, par exemple u 3 > O, la connaissance des deux cosinus directeurs suivant Ou 1 et suivant Ou 2 est suffisante Dans les techniques connues on trouve deux familles de systèmes de localisation: les systèmes de localisation acoustique et les systèmes de localisation magnétique. Selon les systèmes de localisation acoustique, un point M peut être localisé par rapport à trois points A, B et O comme représenté sur la figure 2 Si r est la distance du point M au point O et si OA = OB = d, comme d est grand, que l'angle AMB = a est petit, on peut écrire que: f 1 + 2 2 d sin B - et r= 2 sin a Deux goniomètres en A et B fournissent directement les valeurs de cos 1 et cos 2 et on acos 11 Cos f 2 = sin l sin a d'o sin a puis r. Un troisième goniomètre en O mesure y pour fournir la direction. L'inconvénient de ce système est que, si l'on suppose une portée de 100 mètres et une précision de deux degrés sur la mesure d'angle, il faut une distance d supérieure à deux mètres De plus, il faut que les mesures 10 de,1 et 32 soient réalisées à partir d'une même référence AB ce qui est très difficile compte-tenu des difficultés de mouillage d'un tel système. Selon les systèmes de localisation magnétique, la masse métallique du mobile à localiser perturbe le champ magnétique ambiant et la mesure de cette perturbation permet théoriquement de localiser le mobile. 1 5 Le mobile étant supposé suffisamment éloigné du point de mesure, il est équivalent magnétiquement à un dipôle de moment magnétique M + Les valeurs des trois composantes du champ magnétique crée par M au point de mesure distant de r sont: 3 M. Hi= z 3 ( 3 a ai aj bij) ( 1) H it j= 1 r o ai sont les cosinus directeurs de dans les trois directions ui et bij = 1 pour i = j et b j O pour i; j Pour des raisons de simplicité on identifie Hi avec Hui. On sait également mesurer les gradients de ces composantes magnétiques. Dans ces conditions, la mesure des composantes du champ magnétique et des gradients de champ magnétique perturbés permettent de localiser un point M Cependant, par cette méthode, on obtient au prix de calculs difficiles, une approximation très grossière à cause des erreurs dues au modèle simplifié, des cosinus directeurs et donc de r. L'invention fournit donc un système de localisation précis, facilement exploitable et dont la mise en oeuvre est aisée. Là figure 3 représente un schéma explicatif d'un système selon l'in5 vention Dans un trièdre trirectangle Ou 1 u 2 u 3 se trouve un objet 1, un bateau par exemple à localiser Sur l'axe Ou 1 sont placés, en deux points A et B symétriques par rapport au point O, deux capteurs acoustiques 2 et 3. Sur l'axe Ou 2 sont placés, en deux points C et D symétriques par rapport au point O, deux capteurs acoustiques 4 et 5 au point O est placé un magné10 tomètre triaxial et un gradientmètre de champ magnétique 6 Ce gradientmètre mesure la variation d'une composante Hi du champ suivant l'axe O ui de cette composante soit a Hi/ Dui Les deux capteurs acoustiques 2 et 3 constituent un premier goniomètre et permettent de mesurer, dans le plan formé par l'axe Ou 1 et le 15 point M, l'angle a= MOB De même, les deux capteurs 4 et 5 constituent un deuxième goniomètre et permettent de mesurer, dans le plan formé par l'axe Ou 2 et le point M, l'angle l = MDO. Si l'on appelle Ot la droite passant par les points O et M, les deux 20 goniomètres permettent de déterminer la droite Ot par rapport au plan formé par les deux axes Ou 1 et Ou 2 Notons que trois capteurs pourraient suffire pour effectuer une telle mesure L'intersection O constitue le point de mesure o sont déterminés les angles a et l Au point O, le magnétomètre triaxial et le gradientmètre de champ 25 magnétique 6 permettent de mesurer les composantes du champ magnétique et les composantes du gradient de champ magnétique On démontre que la distance r séparant le point M du point O est proportionnelle aux trois composantes du champ magnétique et inversement proportionnelle au gradient de champ magnétique tel que défini précédemment La formule 30 donnant r est de la forme: 3 3 3 k j r= Bj Ci Hk ( 2) )Hi j=l k:l _ = 1 k = 1 au. I o i peut prendre indifféremment les valeurs 1, 2, 3. k 3 avec B -k jk 2 ajak-bk avec(bjk =bij= 1 pour j = k oui=j) (bjk = bij = O pour j k ou i j) et = -5 a 2 aj + 2 a bij +aj et C ij i Dans ces formules a sont les cosinus directeurs tels que: a I =cos X a 2 =cos a 2 = 1 -(a +a 2) De plus la connaissance de r permet de déterminer les composantes du moment dipolaire M 1, M 2, M 3 suivant: 1 o M M=q 4 7 rr 3 E Bk Hk ( 3) 1 k-i k obtenue en inversant la relation ( 1). La figure 4 représente un exemple de réalistion du système de la figure 3. Dans cet exemple de réalisation, les capteurs sont de type omnidirec15 tionnel à faible bruit électrique Chaque capteur 2 à 5 et le gradientmètre de champ magnétique 6 sont connectés à un dispositif de traitement 8 par des liaisons 302 à 306 Ce dispositif 8 comporte les moyens de calculer d'une part les cosinus des angles a et 6 à partir des données fournies par les goniomètres, et d'autre part, la distance r, en utilisant les formules 20 précédentes, à partir des données fournies par le gradientmètre de champ magnétique et des cosinus directeurs. Pour obtenir une mesure correcte de r, il faut que le support plan ( 30) soit parallèle à la surface de la mer c'est-à-dire horizontal Si le support bouge, ce qui est le cas lorsqu'il n'est pas posé sur le fond de la mer, le 25 support ( 30) et les capteurs peuvent être montés de manière à obtenir un pendulage ou bien sa position dans l'espace peut être déterminée au moyen de deux capteurs de position, par exemple, des accéléromètres, l'un selon ul, l'autre selon u 2, le calcul de r étant corrigé par un simple changement d'axes. Il est à noter que le support 30 pourra être en matériau absorbant les 5 ondes acoustiques de façon à éviter les phénomènes de réflexions parasites préjudiciables à la mesure. Le gradientmètre de champ magnétique 6 peut être constitué de deux appareils distincts Selon l'exemple de réalisation de la figure 5, il est réalisé en un seul appareil selon un type appelé fluxgate. Comme représenté schématiquement sur la figure 5, la partie sensible du magnétomètre est composée de trois sondes ( 60), ( 61) et ( 62) suivant les trois axes (Oul, Ou 2, Ou 3), chaque sonde étant formée d'un noyau magnétique saturable et d'un enroulement d'excitation parcouru par un courant alternatif. Un circuit de mesure ( 65) détecte la présence d'un champ magnétique suivant l'axe de la sonde Une sonde ( 63) placée suivant le même axe Ou 3 que la sonde ( 61) permet d'obtenir en coopération avec celle-ci la mesure du gradient de champ suivant l'axe Ou 3 (AH 3) Les valeurs H 1,, H H 3 et A H 3 sont fournies sur la connexion de sortie 306. En se reportant à la figure 6, on va maintenant décrire un exemple de réalisation du dispositif de traitement 8 de la figure 4. On retrouve sur cette figure les capteurs 2 à 5 disposés de façon analogue aux dispositions précédentes, le gradientmètre 6, situé à droite de la figure pour des facilités de représentation, et le dispositif de traitement 25 8 Le dispositif de traitement 8 comporte des filtres 82, 83, 84, 85 connectés respectivement aux liaisons 302, 303, 304, 305, un premier phasemètre 87 connecté aux filtres 82 et 84 correspondant à deux capteurs acoustiques 4 et 5 d'un même goniomètre, un deuxième phasemètre 88 connecté aux filtres 82 et 83 correspondant aux deux autres capteurs acoustiques 2 et 3 de 30 l'autre goniomètre Le dispositif 8 comporte également un calculateur 80 recevant des données numériques des phasemètres et du gradientmètre 6, les traitant et fournissant sur une sortie 89 une information de position du bateau M suivant ( 2) et les composantes du moment dipolaire suivant ( 3). Les capteurs 2 à 5 reçoivent les ondes acoustiques issues du bateau I (de la figure 3) La bande de bruit acoustique s'étend dans une gamme relativement large, de quelques Hertz à quelques milliers de Hertz Les signaux fournis par les capteurs 2 à 5 sur leur liaison 302 à 305 sont donc filtrés dans une bande étroite autour d'une fréquence de travail choisie pour 5 le système A titre d'exemple, on pourra travailler à une fréquence de 2500 Hertz Les signaux résultant sont transmis sur les deux entrées de deux phasemètres 87 et -88 Ces phasemètres, avantageusement numériques, fournissent les valeurs des deux cosinus directeurs a, et a 2 suivant Oui et Ou 2 Si d est la distance séparant les deux capteurs 2 et 3 ainsi que 4 et 5, le 1 O cosinus directeur est obtenu directement par la mesure de la différence de phase Apsuivant a = XA I' o X est la longueur d'onde correspondante à la phase Atfsivan a = 2 fréquence de travail Pour que A soit toujours inférieur à 180 , la distance d est choisie telle que d composantes du moment dipolaire. Le système peut comporter trois gradientmètres mesurant les variations D Hi / Ul U, DH 2/ 3 u 2, a H 3/ au 3 et on choisit celui qui fournit le signal d'amplitude la plus forte En effet l'un quelconque de ces trois gradients peut être utilisé. La figure 7 représente un exemple de mise en oeuvre du système de 25 l'invention dans une mine sous-marine. Une mine sous-marine performante doit pouvoir localiser le plus précisément possible les bateaux qui s'en approchent pour effectuer une éventuelle classification opérationnelle et pour décider de l'instant du feu. Par exemple s'il s'agit d'une mine profonde, le calcul des distances projetées 30 sur l'axe vertical permet de faire la différence entre bateau de surface et sous-marin. La figure 7 représente schématiquement une mine posée sur le fond et munie du système de goniotélémétrie décrit précédemment. Le système est monté à la partie supérieure de la mine La coque est tronquée et avantageusement un surmoulage en matériau plastique transparent acoustiquement ( 50) vient protéger les capteurs tels que 4 et 5, ainsi que le gradientmètre de champ magnétique 8 fixés sur le support 30, on distingue la charge explosive ( 52) et l'électronique associée ( 51) qui com5 mande en particulier la mise à feu à partir des indications fournies par-le dispositif de traitement 8 du système de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de goniotélémétrie permettant notamment de localiser un mobiles caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier et un deuxième goniomètres acoustiques ( 2-3, 4-5) situés dans un même plan, au moins un magnétomètre triaxial, au moins un gradientmètre de champ 5 magnétique ( 6) ainsi qu'un dispositif de calcul ( 80) connecté aux goniomètres ( 2-3, t 4-5), au magnétomètre triaxial et au gradientmètre de champ magnétique ( 6) recevant des informations de mesure de ces dispositifs et fournissant en échange un résultat de mesure de position d'un mobile. 2 Système de goniotélémétrie selon la revendication 1, caractérisé en 10 ce que le dispositif de calcul ( 80) reçoit les informations de mesure des gonimètres ( 2-3, 4-5), du magnétomètre triaxial et gradientmètre de champ magnétique ( 6), et fournit en outre la valeur des composantes du moment dipolaire du mobile. 3 Système de goniotélémétrie selon les revendications I ou 2, 15 caractérisé en ce que le premier goniomètre acoustique comporte deux capteurs ( 2, 3) situés selon un premier axe (Ou 1) et le deuxième goniomètre acoustique comporte deux capteurs ( 4, 5) situés selon un deuxième axe (Ou 2) coupant le premier axe (Ou 1) en un point d'intersection (O) de telle façon que chaque goniomètre fasse une mesure d'angle à partir de ce point 20 d'intersection (O). 4 Système de goniotélémétrie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le magnétomètre triaxial ainsi que le gradientmètre de champ magnétique sont situés au point d'intersection (O). Système de goniotélémétrie selon les revendications 3 ou 4, 25 caractérisé en ce que le magnétomètre triaxial est orienté de façon à effectuer des mesures de composantes de champ magnétique selon le premier axe (Ou 1), le deuxième axe (Ou 2) et selon un troisième axe (Ou 3) perpendiculaire aux deux premiers. 6 Système de goniotélémétrie selon l'une des revendications 3 à 5, 30 caractérisé en ce que le gradientmètre de champ magnétique est orienté de façon à mesurer le gradient de champ magnétique selon une direction (Ou 3) perpendiculaire au premier axe (Oul) et au deuxième axe (Ou 2). 7 Système de goniotélérnétrie selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le premier axe (Ou 1) et le deuxième axe (Ou 2) sont perpendiculaires. 8 Système de goniotélémétrie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les goniomètres ( 2-3, 4-5), le magnétomètre triaxial et le gradientmètre ( 6) sont fixés sur une embase 30 en matériau absorbant les ondes acoustiques.