Brevet FR2628265A1 — publié le 19890908

ANT1EN1Z /R 'T/"" AR n ASNLLS NOTAMMENT POUR SONAR La présente invention se rapporte aux antennes directives à transducteurs multiples qui soit comprennent un nombre réduit des canaux électroniques nécessaires à l'alimentation de ces transducteurs tout en ayant les mêmes performances, notamment sur le niveau des lobes images, soit ont des performances supérieures pour un nombre de canaux identiques, en comportant alors un nombre supérieur de transducteurs. L'invention s'applique en particulier aux antennes de sonar et aux sondes d'échographie, aussi bien à l'émission qu'à la réception. Le terme alimentation doit donc être pris au sens large, comme il est d'usage en matière d'antennes notamment hyperfréquences, o l'on parle couramment de source qui illumine un réflecteur même dans le cas d'une antenne utilisée en réception. Le reste de cette description concernera essentiellement les émetteurs, mais le cas réciproque du récepteur sera toujours sous-entendu. Il est courant, comme sur la figure 1, d'utiliser un réseau linéaire de transducteurs 10 de largeur 1 au pas de d, chacun de ces transducteurs étant alimenté par un générateur (ou source) 20. Pour générer une onde-plane de longueur d'onde 1 dépointée d'un angle gO par rapport à la normale au réseau, les déphasages successifs Ap entre générateurs doivent être tels que: A = wn+l-Yn = 2Td sing0 L'amplitude des signaux fournis par les générateurs suit une loi qui permet de modeler la forme du diagramme de rayonnement. Ce diagramme de directivité D(Q) est le produit du diagramme du réseau R(Q) par le diagramme élémentaire E(Q) de chaque transducteur: D(Q) = R(O)xE(g). Il est connu que le diagramme R(Q) est périodique avec une période en sing égale à X/d ce qui correspond à une remise en phase des ondes. Si donc l'on pointe dans une direction GO, il apparaît des lobes images dans les directions 0 telles que sin Q=sinGo+kX(k=1,2..). Si la longueur 1 des transducteurs est très petite devant X, alors E(Q) :=1 pour tout 0 et les lobes images ont la même amplitude que le lobe principal. Les lobes images dont les directions sont telles que -1 dans la direction de pointage. Si l'on ne veut pas être gêné par ces lobes images quelle que soit la direction Go il faut, selon la règle bien connue, que d 0 , on a d En générale les transducteurs ne sont pas ponctuels et l'amplitude E(Q) dépend de la longueur i du transducteur durant X selon la relation: snlsin(SinO) E(Q): l sinO La dimension 1 ne doit pas être trop grande de manière à ne pas trop atténuer le lobe principal pour les directions Gmax. Par exemple si l'on tolère une atténuation de -1dB pour les directions 9max on doit avoir: singmax' Pour $max=20 , 1 est inférieure à 0,75X. A titre d'exemple la figure 2 représente le diagramme de directivité obtenu en fonction de sin9 pour une antenne de 18 transducteurs au pas de 1,5X, chaque transducteur ayant une longueur de 0,751, pour sinGo=0,18 soit QO 10 . La courbe en pointillés correspond au diagramme de directivité d'un transducteur élémentaire. Les lobes images 21 et 22 sont situés respectivement à -1,6 et -6,7dB endessous du lobe principal 20 pour sinG=0,66, ee qui est gênant et montre que le diagramme élémentaire dans cet - exemple n'est pas asse; sélectif. La seule solution pour réduire le niveau des lobes images consiste à réduire le pas entre les transducteurs. Ainsi en doublant le nombre de ceux- ci, pour obtenir une antenne de 36 transducteurs au pas de 0,75X, les premiers lobes images seront repoussés de part et d'autre du lobe principal à une distance telle que sinG=1,33..., double de la précédente. Les lobes images sortent alors du domaine réel et sont donc éliminés. La condition d appelées acoustiques. Selon l'art antérieur, les transducteurs sont reliés respectivement à autant de générateurs, pour l'émission, ou de chaînes de réception, pour la réception, qu'il y a de transducteurs. Les phases acoustiques correspondent alors à autant de phases électriques. Selon l'invention, on utilise un nombre de phases électriques au plus égal à la moitié du nombre de phases acoustiques. Pour cela on introduit un couplage entre les transducteurs ce qui revient à faire une interpolation entre les phases électriques et acoustiques. D'autre particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma de l'alimentation d'une antenne connue; - la figure 2, le diagramme de rayonnement d'une telle antenne; - la figure 3, le schéma général de l'alimentation d'une antenne selon l'invention; - le figure 4, un premier. exemple d'interpolation; - la figure 5, une courbe d'atténuation correspondant à ce premier exemple; - la figure 6, un deuxième exemple d'interpolation; - la figure 7, un troisième exemple d'interpolation; - la figure 8, un tableau de valeurs relatives à ce troisième exemple; - la figure 9, une courbe de directivité relative à ce troisième exemple; - la figure 10, un exemple de connexion d'une sonde médicale selon l'art antérieur; - la figure 11, un quatrième exemple d'interpolation concernant la sonde de la figure - la figure 12, un mode de réalisation préféré de ce quatrième exemple; - la figure 13, une courbe de directivité relative à ce mode de réalisation. Sur la figure 3 on a représenté le schéma général d'un système selon l'invention comportant une antenne formée de transducteurs 31 équirépartis distants de d, un ensemble 33 de générateurs de phases et/ou de récepteurs équirépartis suivant un pas p, que l'on appelera ''pas électrique'', tel que p)2d, et un réseau d'interpolation (ou de couplage) reliant l'antenne 31 à l'ensemble 33. Sur la figure p=3d. L'antenne est correctement échantillonnée c'est-à-dire que d images réels. De manière générale, le réseau d'inter- polation consiste à relier un générateur à plusieurs transducteurs; un transducteur est ainsi connecté à plusieurs générateurs en affectant ces connexions d'une pondération complexe (amplitude et phase) ou seulement réelle (amplitude). Si l'interpolation des phases n'est pas parfaite, la directivité D(Q) présentera des lobes images dans les directions telles que: sing=singo;k (k=1,2). p o p est le pas ''électrique'', le niveau de ces lobes images dépendant de la précision de l'interpolation. On connaît des techniques d'interpolation dans le domaine temporel. Elles permettent de créer des échantillons intermédiaires (suréchantil- lonnage) entre les échantillons successifs d'un signal à condition toutefois que ce signal de base ne soit pas sous-échantilloné. D'après le théorème de Shannon, la fréquence la plus haute du signal ne doit pas excéder la moitié de la fréquence d'échantillonnage, c'est-à-dire que la rotation de phase entre 2 échantillons successifs du signal à cette fréquence doit être au plus égale à s. Le déphasage éleetrique entre deux générateurs successifs est donné par Ap= 2-sino. Donc pour un dépointage maximum Qmax donné le pas p ne doit pas excéder p XsinQm afin de respecter le théorème d'échantillonnage applique ici dans l'espace. Dans un premier exemple d'interpolation représenté schématiquement en figure 4, on utilise un ensemble de générateurs de phase Pn alimentant un ensemble de transducteurs S2n dont le nombre est le double de celui des générateurs. L'interpolation se fait en alimentant directement un transducteur (2n) sur deux par un générateur (n) et les transducteurs intermédiaires (2n+1) par les générateurs alimentant directement les deux transducteurs adjaçents. Les signaux de ces générateurs sont additionnés vectoriellement après pondération par un facteur 1/2. Les signaux appliqués aux transducteurs ont pour expression: S2n=eJin S2n+ l=0,5eJYn+0,5ej n+l S2n+2=eiJn+l ú62826 En posant A0=Pn+lPn= ? sinQ0, le signal appliqué sur les transducteurs intermédiaires est de la forme: S2n+=os e(n2) alors qu le signal théorique pour avoir une interpolation parfaite serait ei(Pn+à). La modulation qui en résulte entraîne des lobes images dans les directions k. Plus la valeur de Q0O, done de Ay est élevée, plus le niveau de ces lobes images est élevé. On peut appliquer eette pondération à l'antenne décrite à titre d'exemple plus haut, en gardant les 18 générateurs et en utilisant 36 transducteurs. Le pas p (pour les générateurs) vaut- donc 1,5X. Les deux premiers lobes images sont situés dans les directions correspondant à sinm 0f 0,66, et pour Q0 positif le lobe image principal (dont l'amplitude est la plus grande), est situé à sinQ0-0,66. La figure 5 représente (courbe en traits pleins) le rapport R entre l'amplitude du lobe principal et celui du lobe image principal (en dB), en fonction du déphasage Ap. On constate que pour obtenir une atténuation suffisante, supérieure à 20dB par exemple, de ce lobe image principal, il faut que le dépointage reste relativement faible, soit Ay Qo Pour améliorer ce résultat on peut utiliser un deuxième exemple d'interpolation de même nature, c'est-à-dire linéaire, représenté schématiquement en figure 6. Dans ce deuxième exemple, un transducteur de rang pair 2n reçoit les signaux de deux sources successives de rang n et n+1 pondérés respectivement par les facteurs 3/4 et 1/4, et un 262826E transducteur de rang impair 2n+1 reçoit les signaux de ces deux sources successives pondérés respectivement par les facteurs 1/4 et 3/4. Au prix de cette complication, on approche mieux la répartition théorique et le niveau du lobe image principal est abaissé. Pour une antenne comportant les mêmes transducteurs et les mêmes générateurs que précédemment, mais avec une telle inter- polation, le niveau relatif de ce lobe principal est représenté en traits pointillés sur la figure 5 qui montre une très nette amélioration des performances. Pour améliorer encore ce résultat, on peut utiliser dans un troisième exemple d'interpolation une loi de pondération non linéaire appliquée à un plus grand nombre de transducteurs. Cet exemple est représenté sur la figure 7 o l'on montre une antenne comprenant 20 transducteurs S1 à S20 ayant un pas d, alimentés par 5 sources cf1 à Y5 ayant un pas p:2d. Chaque source alimente 12 transducteurs avec une pondération en amplitude correspondant à une loi en sinx. x Ainsi la source 1p alimente les transducteurs S1 à S12 avec les coefficients de pondération: a1=0,039 - S1 et S12 a2=0,047) S2 et S11 a3=0,111 > S3 et S10 a4=-0,16 > S4 et S9 a5=0,296 > S5 et S8 a6=0,879 - S6 et S7 La source P2 alimente les transducteurs S3 à S14 avec le même jeu de coefficients de pondération, et ainsi de suite Jusqu'à la source P5 qui alimente les transducteurs S9 à S20* On peut augmenter le nombre S de sources et le nombre 2N de transducteurs en respectant la relation: (2N-10)/2=S. Dans le cas de 15 sources et de 40 transducteurs, avec p=1,25X, les valeurs du rapport R sont indiquées dans le tableau en figure 8. On observe que le rapport est maintenu très bas jusqu'à sinQo=0,32 pour monter très rapidement ensuite. Un rapport R inférieur à -20dB entratne Q 0 le théorème d'échantillonnage. La courbe de directivité représentant l'affaiblissement A en fonction du dépointage sing est représentée en figure 8 o l'on remarquera que la directivité est le produit de la directivité du réseau avec la directivité du groupement formé par les 12 transducteurs pondérés. Cette directivité est proche d'une fonction rectangulaire puisque représentant la transformée de Fourier de la sinX pondération en --. Les lobes étant modulés par cette directivité, c'est celle-ci qui détermine principalement le rapport R. On comprendra que la directivité idéale pour le groupement est une directivité rectangulaire dont les limites angulaires correspondent au secteur d'observation. Une telle pondération est particulièrement intéressante dans le cas d'une antenne de sonde médicale appelée barrette. Dans ce type d'antenne on a un ensemble de transducteurs équirépartis et - on focalise électroniquement en appliquant des retards aux signaux. Une ligne d'image est obtenue à partir d'un sous-ensemble de transducteurs et l'image globale est faite par balayage électronique de ce sous-ensemble. Si les transducteurs sont répartis sur une ligne droite, l'image obtenue est de forme rectangulaire (barrette linéaire). on peut également obtenir des images de formes différentes, notamment sectorielle, lorsque les transducteurs sont répartis sur une courbe. Dans ce cas il n'y a pas de dépointage (0=0O ) et donc l'interpolation est parfaitement possible même pour un pas entre transducteurs relativement grand. De plus la dimension du tranducteur peut être grande de manière à atténuer le plus possible les lobes images. L'antenne est composée par exemple d'environ une centaine de transducteurs, chaque sous-ensemble comportant 30 transducteurs espacés de 1,2X et ayant une largeur de R. La fréquence d'émission est dans cet exemple égale à 3,75 MHz. Selon l'art antérieur, représenté en figure , on alimente les'transducteurs 110 de la sonde 101 à partir de sources 112 contenues dans une électronique de traitement 102. Ces sources sont 2 fois moins nombreuses que les transducteurs qui sont donc reliés 2 par 2 en parallèle sur les sources sans réseau de couplage particulier. Selon l'invention, suivant un quatrième exemple représenté en figure 11, on connecte l'électronique de traitement 202 aux transducteurs 210 par l'intermédiaire d'un ensemble d'impédances 221, 222 et 223. Une source 212 -alimente deux transducteurs 210 en parallèle par deux impédances 221. Les sources contiguës sont reliées entre elles par les impédances 223. Les transducteurs contigus alimentés par deux sources contiguës sont 1 1 reliés entre eux par les impédances 222. Ces impédances sont, réalisées avec des composants passifs, résistances, inductances et capacités. Dans un mode de réalisation préféré de ce quatrième exemple, représenté en figure 12, compte tenu de ce que chaque élément transducteur 210 présente une résistance de 230FAet une capacité de pF, les impédances 221 sont formées d'un condensateur 241 de 300pF, les impédances 222 d'une résistance de 285. en parallèle avec une capacité de 255pF, et les impédances 223 d'une inductance de 21 H. Ces impédances peuvent étre implantées directement dans le corps de la sonde 201 et done de nécessiter un nombre de fils, dans le cordon de connexion 203 entre la sonde 201 et l'électronique de traitement 202, égal au nombre de sources et non pas au nombre de transducteurs. On a représenté sur la figure 13 les diagrammes de directivité de ce mode de réalisation (300) et de l'art antérieur (301). On remarque une atténuation du niveau du premier lobe image 302 supérieure à 10dB. Ces lobes images sont également atténués par un très net effet de lissage des ondulations résiduelles. Dans ce mode de réalisation, l'interpolation est obtenue par une pondération complexe en amplitude et en phase, ce qui permet de minimiser le nombre d'éléments nécessaires pour obtenir le couplage désiré par rapport à un réseau de résistances. L'application de l'invention à une antenne d'émission-réception focalisée est en outre particulièrement intéressante parcequ'elle permet de réduire le nombre.des déphasages nécessaires pour assurer cette focalisation tant à l'émission qu'à la réception. Il est tout à fait possible d'augmenter le nombre de transducteurs en gardant le même nombre de chaînes de traitement, et donc le même nombre de fils dans le cordon de connexion, en utilisant donc un rapport plus grand que 2 entre ces nombres. Selon une technique connue, dans le cas notamment d'une antenne de réception, les signaux des capteurs sont convertis en échantillons numériques et l'interpolation est faite numériquement. Le réseau de couplage s'apparente alors à un filtre transversal. De manière générale l'invention est applicable à toute antenne, que les ondes soient électromagnétiques ou ultrasonores. Elle peut être à bande étroite ou à large bande. Son intérêt réside dans la simplification de l'électronique. Elle est surtout intéressante en haute fréquence (directivités fines) dans le cas o il y a focalisation, c'est-à-dire pour les sonars à haute définition et pour les sondes à usage de diagnostic notamment médical. Enfin l'invention s'applique également aux antennes bidimensionnelles. REVENDICATIONS 1. Antenne directive à transducteurs multiples, notamment pour sonar, du type comprenant un ensemble de transdueteurs (31) et un ensemble de sources (33) destinées à alimenter ces transducteurs pour former au moins une voie directive (20) comportant des lobes images parasites (21, 22), caractérisé en ce que le nombre de sources est au plus égal à la moitié du nombre de transducteurs, et qu'elle comporte en outre un réseau d'interpolation (32) permettant d'alimenter les transducteurs par les sources en diminuant l'amplitude des lobes images à un niveau du même ordre de grandeur que celui obtenu pour un nombre de sources égal au nombre de transducteurs. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque source (An) est reliée à au moins deux transducteurs (S2n, S2n+1) pour les alimenter avec des signaux pondérés en amplitude. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre N de sources (An) et un nombre 2N de transducteurs (S2n), et que les moyens d'interpolation permettent d'alimenter un transducteurs de rang 2n (S2n) par une source de rang n (An) avec une pondération égale à 1 et un transducteur de rang 2n+1 (S2n+1) avec des pondérations égales à 1/2. 4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre N de sources (yn) et un nombre 2N de transducteurs (S2n), et que les moyens d'interpolation permettent d'alimenter un transducteur de rang 2n (S2n) par les deux sources de rang n et n+1 (n, Pn+1) avec des pondérations respectivement égales à 3/4 et 1/4, et un transducteur de rang 2n+1 (An, Yn+1) avec des pondérations respectivement égales à 1/4 et 3/4. 5. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre S de sources (w1-t5) et un nombre 2N>S de transducteurs (S1-S20) , et que les moyens d'interpolation permettent d'alimenter un ensmble de L transducteurs successifs par une source avec des pondérations dont les valeurs suivent une loi en sinX/X. 6. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre N de sources (212) et un nombre 2N de transducteurs (210), et que les moyens d'interpolation comprennent un premier ensemble d'impédances (221) pour alimenter les transducteurs (210) deux par deux en parallèle, un deuxième ensemble d'impédances (222) pour relier entre eux les transducteurs (210) contigus alimentés par deux sources contiguës, et un troisième ensemble d'impédances (223) pour relier chaque sources (212) à celle qui lui est contiguë. 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les transducteurs (210) présentent une résistance de 230.J et une capacité de 75 pF, que les impédances du premier ensemble sont des condensateurs de 300 pF, que les impédances du deuxième ensemble sont des résistances de 285 f1 en parallèle avec des condensateurs de 255 pF, et que les impédances du troisième ensemble sont des inductances de 21pH. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisée en ce que les transducteurs et les impédanees sont réunis pour former une sonde ultrasonore focalisée pour échographie. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est bidimensionnelle.