Brevet FR2598229A1 — publié le 19871106

Sonar interférométrique, à large bande et émission comprimée L'invention se rapporte à un sonar interférométrique, c'est-à-dire à un sonar dans lequel l'émission est réalisée au moyen de deux émetteurs émettant simultanément, distants d'une longueur L égale à la longueur maximum disponible pour l'antenne. Ces émetteurs créent par interféro5 métrie un faisceau multiple, dont l'ambiguité est levée à la réception. Un système d'antenne pour un sonar interférométrique de ce type a été décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demanderesse, publiée sous le numéro 2 412 177 et intitulée "Système d'antenne à pouvoir séparateur élevé". L'antenne d'émission comporte au moins deux 10 transducteurs d'émission émettant en synchronisme et placés aux extrémités de l'antenne de réception. Le diagramme de rayonnement d'émission, dont l'amplitude varie en fonction de la direction 0 suivant F(O): F(Q) = Cos (Lc f sin0) (1), présente alors dans son champ angulaire une suite de maxima et de minima au pas p tel que: irL 2 sinp = i, soit p voisinde (2) = L o Dans ces formules 0 est l'angle d'une direction d'observation avec un axe orthogonal à la ligne formée par les antennes, c est la vitesse des 20 ondes sonores dans l'eau, f la fréquence d'émission, et = ola longueur d'onde de vibration dans le milieu de rayonnement c'est-à-dire l'eau. La largeur des lobes ainsi obtenus par interférométrie est environ moitié de celle obtenue avec une base d'émission remplissant toute la longueur L, ce qui améliore le pouvoir séparateur. Il est possible de recevoir simultanément dans les directions des maxima d'émission en préformant autant de voies de réception que de lobes, à partir d'une antenne de réception pleine, mais composée d'une pluralité de sources entre lesquelles un déphasage est introduit, de façon à faire coincider les maxima des voies de réception avec |es maxima à l'émission. Pour couvrir toutes les directions du champ angulaire, il est prévu de créer d'autres maxima dans le diagramme de rayonnement d'émission coTncidant avec les minima du premier, et une deuxième série de voies préformées de réception, en utilisant les mêmes sources 5 d'émission et de réception, au moyen soit de deux émissions séquentielles déphasées à la même fréquence, soit de deux émissions simultanées à des fréquences différentes. Les émissions sont des impulsions de signal acoustique de longueur d'onde 0, récurrentes, de durée Te. A cette durée correspond une bande 10 de fréquence Af = --. En conséquence, à chaque fréquence comprise dans T e la bande Af autour de la fréquence fo correspond un diagramme F(0) de la forme cosinus selon la formule (1) ci-dessus, de telle sorte que le diagramme résultant n'est pas correctement réalisé car il n'y a pas de maxima ni de zéros bien marqués, excepté pour le maximum central. En effet, les directions des maximas du diagramme d'émission, donnés par F(Q) = 1, sont telles que f sin =-2c k, o k est un nombre entier. En conséquence, lorsque la fréquence varie dans la bande de fréquence Af, la direction des maxima varie également de la manière suivante: df dO =df =dgo. Lorsque la fréquence d'émission fo subit un écart de df, l'écart dO correspondant à la direction 0 a pour valeur dO = f. tgO. o Pour que le diagramme d'interférence ne soit pas trop détérioré, il est nécessaire de limiter la valeur de la bande de fréquence, ce qui impose dans le système décrit ci-dessus une durée minimum pour l'impulsion 25 acoustique. On admet que dO peut, au maximum, atteindre un quart de la largeur des lobes du diagramme de rayonnement à mi-puissance, c'est-àdire à 3 dB d'atténuation du maximum; cette largeur à mi-puissance est À O3 203 et c = À o soit dOs champ angulaire, - 0o et + 0o. 03 fo c Pour ces directions, df = * soit 2 tgo 0 -8LtgO 0 Af =2dr c (3) fmax = 2df = 4Ltgo 0 1 La durée te de l'impulsion ne peut donc être inférieure à Af e max pour que le diagramme ne soit pas trop détérioré. Cette limitation présente un double inconvénient: - Pour un champ angulaire donné, elle limite la résolution en distance, 2- car les impulsions sont trop longues; - Pour une résolution en distance donnée, elle limite le champ angulaire couvert. A titre d'exemple, pour L = 250 o, un champ angulaire fixé = 30 , et une fréquence d'émission fo = 200 KHz, Afmax est égal à 750 Hz. Or, pour obtenir une portée D = 100 mètres, soit une résolution latérale en distance 203 D égale à 0,2 m, une bande de 750 Hz n'est pas 10 suffisante. Il faudrait au moins une bande égale à 3,75 KHz. L'invention a pour objet un sonar interférométrique qui ne présente pas les inconvénients susmentionnés et qui en particulier est un sonar interférométrique à large bande. La structure particulière du système d'antenne du sonar suivant l'invention permet en outre d'obtenir 15 une émission comprimée. Selon l'invention, un sonar interférométrique, à large bande et émission comprimée, comportant un système d'antenne d'émission à deux émetteurs espacés associés à des circuits de commande d'émission, et un système d'antenne de réception associé à des circuits de réception, est 20 caractérisé en ce que chaque émetteur est constitué d'un groupe de N émetteurs élémentaires, (E.) et (E2). i entier compris entre - NI1 et N-I ''N N 2 --2 pour N impair et i compris entre N et + 1! et différent de 0 pour N pair, un émetteur élémentaire (E1)i étant espacé de 'émetteur élémentaire correspondant (E2)i d'une longueur Li, ces deux émetteurs élemen25 taires étant alimentés par un même signal de fréquence fi ' en ce que les produits Li fi des N paires d'émetteurs élémentaires ainsi définies sont égaux, et en ce que tous les émetteurs sont alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. - La figure I est le diagramme de rayonnement F(0) en dB d'une antenne interférométrique comportant deux transducteurs émetteurs, 35 selon l'art connu. - La figure 2 représente l'antenne d'émission interférométrique du sonar selon l'invention, et les moyens de commande associés. - Les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs du fonctionnement du sonar suivant l'invention. - La figure 5 est un autre exemple d'antenne d'émission, pour un sonar suivant l'invention. Le sonar interférométrique suivant l'invention est tel que le diagramme de rayonnement à l'émission n'est pas perturbé lorsque le sonar couvre une bande de fréquence B. Cette bande B est supérieure à la bande 10 de fréquence dans laquelle on peut considérer, dans le système connu décrit succinctement ci-dessus, que le diagramme d'interférence n'est pas trop détérioré. D'après la formule (1), qui donne l'expression du coefficient d'amplitude du diagramme de rayonnement, F(0), représenté sur la figure 15 1, une solution pour obtenir un diagramme F(3) non perturbé par les variations de fréquence dans la bande B est que, pour chaque fréquence f, le produit Lf soit constant, soit Lf = K, o K est une constante. Mais dans une bande de fréquence Af d'émission des deux paires centrales sont fo - 2-f et fo + 2. Ainsi les émetteurs E1 et E2 du système selon l'art antérieur sont remplacés chacun par une série de N émetteurs formant ainsi N paires d'émetteurs. Les deux émetteurs de chacune des N paires notées avec des indices i tels que 35. pour N impair, i est entier tel que: N + N2 2-7 pour N pair, i est entier tel que - N Les fréquences d'émission correspondantes sont fi= fo + iAf, pour N impair f2 f + (signe i) '2-- Af,pour N pair. À = 2 Les distances entre émetteurs d'une paire d'indice i sont: K Li fi La figure 2 représente schématiquement les circuits d'émission, et le système d'antenne associé, du sonar interférométrique suivant l'invention dans un mode de réalisation o N = 5. Chaque émetteur, El, E2 10 comporte N émetteurs élémentaires (El)i et (E2)i; les émetteurs élémentaires formant la paire d'indice i sont distants de Li et alimentés par des impulsions de signal à la fréquence fi, récurrentes et de durée Te = À Les circuits d'émission comportent N amplificateurs de puissance Ai c'està-dire A 2, A_, Ao, A1 et A2 qui reçoivent des signaux de N 15 oscillateurs Oi, i = -2 à +2 aux fréquences fi. Ces oscillateurs 0, en phase au milieu de l'impulsion Te' reçoivent des signaux de synchronisation d'un oscillateur de référence Or. La sortie d'un amplificateur Ai est reliée aux deux émetteurs élémentaires de la paire correspondante. Ainsi, les diagrammes de rayonnement de chaque interféromètre élémentaire, 20 définis par la relation (1), sont identiques, et en particulier les maxima coïncident, puisque tous les produits Li fi sont égaux. La réception est effectuée de manière connue, au moyen d'une antenne de réception pleine classique, non représentée, formée par exemple d'une succession de transducteurs récepteurs équidistants dont 25 les signaux sont retardés et sommés pour former des voies de réception dans des directions qui correspondent à celles des maxima du diagramme du rayonnement d'émission. Les transducteurs récepteurs sont disposés entre les deux groupes d'émetteurs pour former un système d'antenne dont l'encombrement en longueur est minimum. Comme dans le cas du sonar interférométrique à deux émetteurs, la couverture complète du champ angulaire peut se faire soit successive- ment au moyen d'émissions alternativement en phase et en opposition de phase sur tous les émetteurs élémentaires- formant l'interféromètre, aux mêmes fréquences, soit simultanément, en utilisant deux fréquences distinctes émises simultanément par chacune des paires d'émetteurs formant l'interféromètre. Le dispositif décrit ci-dessus en référence à la figure 2 permet de plus d'obtenir une compression d'impulsions. En effet l'enveloppe de l'impulsion résultant de la somme algébrique de N signaux de fréquences pures distinctes distantes de Af =- dans une bande B = NAf, émis e simultanément, est rigoureusement identique à un signal bref fonction de sin NX o X est égal à wAf.t. Le maximum est obtenu lorsque ces sin X signaux sont tous en phase. La compression d'impulsions est donc réalisée en émettant en phase, sur les différents émetteurs, au milieu de l'impulT e sion, soit pour t = - apres le début de l'impulsion. La figure 3 est la représentation vectorielle de la compression d'impulsions pour un exemple o N = 3. Le plan vibratoire de référence passant par le milieu O de l'antenne, les vibrations correspondant à chaque paire d'émetteurs élémentaires, pour une direction donnée, s'ajoutent symétriquement par rapport à ce plan. Pour les directions 0 qui correspon20 dent aux maxima de la fonction F(Q), le vecteur résultant a une amplitude maximum égale à VM. Pour une direction quelconque 0, l'amplitude est égale à Vp, inférieure à VM. La figure 4 représente schématiquement les impulsions transmises sur les différentes paires d'émetteurs, et l'impulsion résultante comprimée en fonction du temps; sur cette figure on a choisi 25 N = 3 comme sur la figure 3, pour plus de commodités. Soient uw, uo0 et L. +1 les pulsations des signaux émis: tu i = 2rfi et Ti = sin 0. Les produits w i ti ne dépendent que de la direction d'observation O et non de i puisque Li fi = K. La largeur à trois décibels d'atténuation Te 1 Ie de l'enveloppe de l'impulsion comprimée est = Le gain de traitement associé, en décibels, est égal à 10 log.B. te, soit 10 log. N. Ainsi, le dispositif d'émission selon l'invention réalise une compression d'impulsion à l'émission dans l'eau et cela sur toutes les directions 0 du champ angulaire. La forme de l'impulsion temporelle n'est donc pas fonction de la direction a, et reste identique à elle-même dans toutes ses directions, avec un facteur d'amplitude F(Q) correspondant au diagramme d'émission. Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, o le champ angulaire est compris entre -15 et +150, et ou la fréquence centrale est 5 f = 200 KHz, pour un sonar destiné à visualiser les fonds marins, la résolution en distance recherchée est estimée à 0,2m soit une bande de fréquence, comme indiqué ci-dessus, B = 3,75 KHz. La bande de fréquence maximum Af max relative à un seul interféromètre étant égale à 750 Hz environ, l'antenne d'émission du sonar selon l'invention comporte cinq 10 interféromètres, c'est-à-dire cinq paires d'émetteurs élémentaires formant ces cinq interféromètres. Ces cinq paires d'émetteurs sont alimentées simultanément par des impulsions de durée te = 1,33 millisecondes, e aux fréquences F2 = 198,5 KHz, F_1 = 199,25 KHz, F0 = 200 KHz, F1 = 200,75 KHz et F2 = 201,5 KHz. Le niveau sonore d'émission obtenu au moyen d'un tel système d'antennes reste du même ordre que celui obtenu au moyen d'un système à deux émetteurs. En effet, une source de longueur I possède une directivité dont la largeur de lobe, à 3 décibels d'atténuation, est 1-en radian. Pour obtenir un champ angulaire au moins égal à 200, la longueur maximum 201 d'une source unique est I max d'une source unique est max = 2--o. Par ailleurs, l'espacement ei entre les centres de phase de deux émetteurs voisins dans le système d'antenne selon l'invention est donné par la relation: 2e =L L voisin de K Af étant petit)f = ' ' i+ ' f i ' -i frneit) I I. Af étant au plus égal à, e est voisin de. En 4Ltg,0 i 8tg0o conséquence, la longueur Ii des émetteurs, qui est limitée à leur espacement ei pour une antenne dont on souhaite que tous les émetteurs soient alignés, est environ quatre fois inférieure à la longueur lmax. En conséquence avec un interféromètre comportant au moins quatre paires d'émetteurs, le niveau sonore d'émission est à peu près égal à celui d'un 30 interféromètre comportant seulement une paire d'émetteurs, puisque les surfaces d'émission sont équivalentes. Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, l'espacement ei entre deux émetteurs voisins est égal à 0,47 Xi soit 3,5 mm environ. La longueur maximum Imax est de l'ordre de 15 mm. Pour obtenir un niveau d'émission égal à celui d'un interféromètre à deux émetteurs ayant chacun 15 mm de long, la longueur de chaque émetteur est fixée à 3 mm. La distance entre les deux émetteurs de la paire centrale est égale à 1,875 m. Les chiffres 5 indiqués ci-dessus montrent que, par rapport à l'interféromètre classique à deux émetteurs, la résolution en distance a été augmentée pour un champ angulaire fixé, le niveau d'émission restant égal. Il est également possible de ne pas aligner les émetteurs élémentaires et de donner à la longueur de chaque émetteur la longueur 10 maximum I a. Dans cette solution les émetteurs sont décalés et superposés,comme représenté sur la figure 5 en vue de face. Dans ce cas la surface d'émission est multipliée par cinq par rapport à la surface d'émission d'un interféromètre classique à deux émetteurs. Suivant un second exemple de réalisation, la résolution en dis15 tance du sonar est fixée à I m et le champ angulaire 20o à 90 , soit entre - 450 et + 45 . Si la base d'émission de l'interféromètre L est égale à 250 X et si la fréquence centrale d'émission f est égale à 200 KHz comme dans l'exemple précédent, Af max est dans ce cas égale à 200 Hz. La bande minimum nécessaire pour un sonar est égale à 800 Hz, ce qui 20 nécessite quatre interféromètres dont les paires d'émetteurs sont alimentées par des impulsions de durée Te = 5 millisecondes, aux fréquences F_2 = 199,7 KHz, F- 1= 199,9 KHz, F1 = 200,1 KHz, F2 = 200,3 KHz. Dans ce cas il n'y a pas d'émetteur qui émette exactement à la fréquence f = 200 KHz. o L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés. En particulier, il est possible de pondérer l'impulk sion émise, de façon que sa largeur à trois décibels soit de la forme Nk o k supérieur à I dépend de la loi de pondération choisie. Par ailleurs, pour diminuer le niveau des lobes secondaires de la 30 directivité, résultant du produit des directivités à l'émission et à la réception, la distance entre les deux groupes N d'émetteurs peut être choisie inférieure à la longueur de l'antenne de réception, les signaux reçus par les transducteurs de réception étant alors pondérés, comme décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demanderesse 35 publiée sous le numéro 2 519 770. Enfin un traitement supplémentaire de compression d'impulsion à la réception, connu en lui-même, peut être mis en oeuvre dans le sonar interférornmétrique pour augmenter encore le gain de traitement. Pour cela, la durée te des impulsions émises est choisie supérieure à f1, et max est codée, par exemple par une modulation linéaire de fréquence. Le signal issu d'une voie de réception est traité en parallèle dans N canaux centrés sur les différentes fréquences d'émission fi. Chaque canal comporte donc un filtre passe-bande centré sur la fréquence fi et de largeur Afmax s suivi d'un filtre adapté au code émis, par exemple à la modulation 10 linéaire de fréquence. Les signaux issus des N canaux parallèles sont ensuite additionnés. Le gain de traitement supplémentaire ainsi obtenu est égal à ALf.te. REVENDICATIONS 1. Sonar interférométrique, à large bande et émission comprimée, comportant un système d'antenne d'émission à deux émetteurs espacés associés à des circuits de commande d'émission, et un système d'antenne de réception associé à des circuits de réception, caractérisé en ce que 5 chaque émetteur est constitué d'un groupe de N émetteurs élémentaires, (El)iet (E2)i, i entier compris entre - N2-I et N2-I por N impair et i compris entre - et + N et différent de 0 pour N pair, un émetteur élémentaire (E1)i étant espacé de l'émetteur élémentaire correspondant (E2)i d'une longueur Li, ces deux émetteurs élémentaires étant alimentés 10 par un même signal de fréquence fi en ce que les produits Li fi des N paires d'émetteurs élémentaires ainsi définies sont égaux, et en ce que tous les émetteurs sont alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions. 2. Sonar interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la bande de fréquence maximum susceptible d'être couverte au moyen d'une seule paire d'émetteurs distants de L étant Amax = Ltg mx-4LtggQ0 pour un champ angulaire donné compris entre - 0 et + 0, et la bande de fréquence à couvrir étant B centrée sur la fréquence fo, N est le nombre 20 entier supérieur au quotient B/Afmax 3. Sonar interférométrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paires d'émetteurs élémentaires couvrent chacun une bande Af- B 1 f N = -, en émettant simultanément les signaux à fréquence fi e pendant des impulsions de durée Te, f. étant égale à f + iAf pour N 25 impair et à f + (signe i) 2 1 Af pour N pair. 4. Sonar interférométrique selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que les impulsions de signaux à fréquences f. transmises aux paires d'émetteurs (E l)i, (E2)i sont pondérées suivant une même loi de pondération prédéterminée. 5. Sonar interférométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les émetteurs élémentaires sont alignés, leur longueur étant inférieure à la moitié de la différence entre les espacements Li de deux paires d'émetteurs élémentaires voisins. 6. Sonar interférométrique selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que les émetteurs élémentaires sont répartis sur plusieurs lignes décalées, leur longueur étant égale à la longueur maximum nécessaire pour couvrir un champ angulaire donné. 7. Sonar interférométrique selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que les deux groupes d'émetteurs élémentaires sont placés aux extrémités de l'antenne de réception. 8. Sonar interférométrique selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que les deux groupes d'émetteurs élémen10 taires sont espacés d'une longueur inférieure à la longueur de l'antenne de réception, les circuits de réception comportant des moyens de pondération des signaux reçus par les transducteurs de réception.