Brevet FR2643464A1 — publié le 19900824

PROCEDE POUR AUGMENTER LA CADENCE IMAGE D'UN SONAR- ET SONAR POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention se rapporte à un système sonar pour la détection d'objets et l'imagerie des fonds marins. Un tel sonar est destiné à être installé sur un véhicule sous-marin ou dans une coque de navire et ceci à faible coût; il doit donc être simple, bon marché et avoir une bonne cadence image. En effet, à cause de la faible vitesse de propagation du son dans l'eau, la cadence de renouvellement de l'information doit être élevée afin de réaliser un échantillonnage correct du terrain ou pour réaliser une extraction automatique des cibles, extraction qui demande le plus possible de retours indépendants de la cible. Classiquement, il existe trois grands types de fonctionnement pour les systèmes sonars et chacun conduit à des matériels spécifiques. Dans un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant, l'antenne est mono-élément et une seule chaîne électronique de réception est requise. Ce sonar est donc simple et bon marché. Par contre, les transducteurs d'émission et de réception sont généralement directifs et le transducteur de réception doit rester pointé dans la directibn d'émission tant que le signal susceptible de revenir de la distance maximale n'est pas arrivé sur l'antenne. La vitesse de rotation de l'antenne reste alors limitée à des valeurs faibles, et la cadence image, notamment pour les. systèmes ayant une bonne résolution angulaire, est très faible. Dans un sonar à voies préformées, un large secteur est insonifié à l'émission et en réception, à chaque impulsion, des voies sont formées électroniquement dans tout le secteur insonifié. L'image d'un secteur complet est alors obtenue à une cadence image élevée. Ce principe est très performant mais la complexité du matériel est importante surtout pour une implantation sur un petit véhicule sous-marin. Enfin, dans un sonar à émission continue et à modulation de fréquence (CTFM), la cadence image est élevée mais la résolution en distance est souvent faible car 'elle est inversement proportionnelle au nombre de filtres d'analyse spectrale présents dans la chaîne de réception. De plus, la faible bande de réception, après analyse spectrale, rend les cibles fluctuantes ce qui est préjudiciable à une bonne probabilité de détection. Pour pallier ces inconvénients et obtenir un sonar qui soit simple, bon marché, dont l'émission soit à large secteur et l0 présentant une cadence image augmentée d'un facteur n, l'invention propose un autre procédé, à mettre en oeuvre dans un sonar comportant une antenne d'émission mobile couvrant un secteur de largeur angulaire eE et une antenne de réception mobile couvrant un secteur de largeur angulaire OR, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à emettre n codes successifs non corrélés dans un secteur de largeur angulaire {E exactement égal à neR, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps sans attendre que le premier signal émis n'ait atteint la portée maximale dmax du sonar, et à recevoir dans le secteur de largeur angulaire - eR les échos de ces n codes provenant de n zones de propagation contigiies selon l'axe de réception et dans l'espace compris entre O et dmax, chacune d'entre elles ayant une profondeur égale à dmnax/n. L'invention a également pour objet un sonar pour la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure i: la zone de terrain observée à l'émission et à la réception pour un sonar mono-faisceau à balayage mécanique tournant selon l'art antérieur, - la figure 2, le diagramme des temps des impulsions d'émission et la position des antennes en fonction du temps d'un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 3: la zone de terrain observée par un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant pour des positions d'antenne de réception progressives, selon l'invention, - la figure 4 la zone de terrain observée par un sonar latéral à voies préformées parallèles selon l'invention, - la figure 5: un exemple de distribution des fréquences d'émission dans un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 6: le synoptique général d'un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant, selon l'invention. La figure 1 représente la zone de terrain observée à l'émission et à la réception pour un sonar mono-faisceau à balayage mécanique tournant de l'art antérieur comportant une antenne d'émission, 20, couvrant un secteur angulaire 0E et une antenne de réception, 30, couvrant un secteur angulaire 1R tel que 8E est supérieur à eRb Sur la figure les positions des antennes d'émission, 20, et de réception, 30, sont représentées respectivement à l'instant d'émission et en fin de réception. Entre l'émission et la réception, l'antenne de réception, 30, ne doit tourner que d'un angle A faible afin de permettre le chevauchement des deux secteurs angulaires E et eR couverts par les deux antennes. Mais cette condition n'est pas suffisante car la zone du terrain observée évolue avec l'antenne de réception. Pour que tout le terrain soit observé, c'està-dire pour ne pas avoir une perte de plus de 6dB (3dB à l'émission et 3 dB en réception) sur l'écho reçu à la portée maximale dmax, il est nécessaire que l'angle A soit au maximum égal à eR Le secteur angulaire e R étant défini comme l'ouverture du diagramme correspondant à 3 dB en dessous de la portée maximale dmax, la vitesse de rotation v de l'antenne de réception doit être inférieure à v -= ERC/2dmax, C étant la vitesse du son dans I'eau. La cadence d'émission est calée sur la portée maximale dmax, ce qui signifie qu'avant de rpeémettre, il faut attendre d'avoir reçu le signal le plus éloigné. Si, par contre, plusieurs émissions successives sont effectuées au cours de la propagation et qu'un code particulier est affecté à chacune d'entre elles pour les distinguer, les codes n'étant pas corrélés, il devient alors possible de tourner l'antenne de réception entre l'émission et la fin de la réception, d'un angle A supérieur à eR et d'augmenter ainsi la cadence image. Un code facile à réaliser consiste, par exemple, à émettre des fréquences pures distinctes. La figure 2 représente le diagramme des impulsions d'émission en fonction du temps ainsi que la position des antennes en fonction du temps. Chaque émission est affectée d'un code de fréquences distinctes C1 à Cn. Pendant le temps qui s'écoule entre l'émission et la fin de la réception, les antennes d'émission et de réception, choisies colinéaires, continuent de tourner et les positions angulaires de l'axe de l'antenne de réception e1' 02 '.. 'nE' 91 +On ' E2 On etc... sont représentées en fonction du temps en considérant qu'elles sont respectivement en synchronisme avec les émissions d'impulsions de code C1,C2,... Cn C1n,C2, etc... La figure 3 représente la zone de terrain observée par un sonar monofaisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant pour des positions d'axes d'antenne de réception progressant de E1 à En en fonction du code émis 1 n 3G C1 à Cn' Pour la clarté de la figure, n a été choisi n=4. La cadence d'émission est n fois plus grande et la portée maximale dmax du sonar, pour chaque code, est n fois plus faible que les valeurs correspondantes obtenues lorsque les émissions ne sont pas codées. De même, la vitesse de rotation maximale des antennes d'un sonar étant inversement proportionnelle à la portée maximale, il est alors possible d'augmenter la vitesse de rotation v des antennes d'un facteur n par rapport à un sonar à émission non codée, soit v = neRC/2dmax, C étant la vitesse du son dans l'eau, et R chaque code est reçu dans un secteur de largeur angulaire eR pendant une durée égale à 2dmax/nC. Pour une position d'axe d'antenne de réception k, k étant compris entre O et n, les échos des n codes précédemment émis sont reçus dans le secteur angulaire e R centré sur l'axe ek. Les échos de ces n codes proviennent de régions de l'espace différentes, contigies selon l'axe de réception eO et qui ont une profondeur égale à dmax/n. Ces régions correspondent au temps nécessaire aux ondes acoustiques codées. émises pour se propager jusqu'à leur portée maximale dmax/n, être réfléchies par un éventuel obstacle et être reçues dans le secteur OR centré sur la position d'axe d'antenne de réception. Dans la position d'axe 1, l'antenne de réception reçoit le signal de code C1 issu de la zone hachurée comprise entre O et dmax/n. Dans la position d'axe E 2' elle reçoit le signal de code C2 issu de la zone comprise entre O et dmax/n et le signal de code C1 issu de la zone hachurée comprise entre dmnax/n et 2dmax/n, et ainsi de suite jusqu'à la position o elle reçoit le signal de code Cn issu de la zone comprise entre O et dmax/n, le signal de code Cn_1 issu de la zone comprise entre dmax/n et 2dmax/n, etc..., le signal de code C1 issu de la zone comprise entre (n-1) dmax/n et dmax. Sur la figure 3 une légende illustre les codes des signaux issus des différentes zones. En se reportant à la figure 3, il est à noter qu'au début et à la fin de rotation des antennes, le secteur d'observation présente des "trous", 40, et ses bords sont en forme de marches d'escalier. Ces "trous" correspondent au temps nécessaire au signal de code C1 et au signal correspondant au dernier code émis pour atteindre la distance dmax. Il faut en tenir compte en prévoyant une rotation plus grande par rapport au secteur d'observation voulu. Ce procédé est applicable à tout système sonar quelles que soient ses caractéristiques essentielles telles que sa fréquence, sa portée et sa résolution. Le codage en fréquence peut être quelconque, dans la pratique pour des raisons de simplicité, un code de fréquences pures sera choisi afin que le sonar conserve sa caractéristique 19 impulsionnelle donc sa bonne résolution en distance (ce qui n'est pas le cas des dispositifs CTFM). La complexité du sonar est très peu augmentée, les antennes restent identiques,- une seule voie de réception est conservée, il faut simplement filtrer le signal en fonction de la position d'antenne donc du temps. Par ailleurs, comme pour les sonars à voies préformées, il est nécessaire d'insonifier un secteur plus large, soit exactement n8R. Comme pour les autres procédés, les antennes d'émission et de réception peuvent être - colinéaires ou partiellement communes. La figure 4 représente la zone de terrain observée par un sonar latéral à voies préformées parallèles lorsque les émissions sont codées selon l'invention. En acoustique sous-marine, il est connu d'utiliser un sonar latéral à voies préformées parallèles monté sur un poisson remorqué pour obtenir une image du fond marin. Dans ce cas il n'y a pas rotation des antennes au cours du temps, mais cette rotation est remplacée par le mouvement du porteur. L'invention permet alors d'augmenter la vitesse du porteur et la cadence image ou de ne former qu'une seule voie en gardant la même cadence image. Pour obtenir un secteur d'observation complet dans le cas du sonar latéral, il est simplement nécessaire de prolonger le temps d'observation de 3dmax/4C, ce qui correspond à la phase d'acquisition. Un sonar destiné à équiper un véhicule de faible coût, bien que performant, doit être aussi de faible coût; le choix se porte alors sur un sonar monofaisceau à balayage mécanique car la formation de voies est toujours onéreuse étant donné qu'elle nécessite un nombre important de chaînes de réception en parallèle. A titre d'exemple, les caractéristiques d'un mode de réalisation du sonar selon l'invention ont été choisies telles que la portée est de 75m, la résolution en gisement est de 1 5, le secteur d'observation est de 60 , le temps d'observation du secteur est de ls, la résolution en distance est de 0,2m. Pour la réalisation, il a été choisi, en utilisant les règles de calcul des systèmes acoustiques bien connues de l'art antérieur, une fréquence de fonctionnement de 750kHz, une durée d'impulsion de 25011s, une bande de réception de 4kHz et un balayage mécanique sur 60 . L'utilisation en monovoie demandant 4s pour générer une image, le procédé selon l'invention a été appliqué en choisissant n=4. Dans ce cas, la vitesse de rotation de l'antenne est de 60 /s. Pour réaliser un tel sonar, une solution simple consiste à choisir un code de fréquences pures distinctes, soit quatre fréquences, dans la bande de réception du sonar. Avec les technologies actuelles en acoustique, un sonar peut fonctionner dans une bande de fréquences égale à 40% de la fréquence de fonctionnement, soit dans une bande égale à 300kHz pour la fréquence de fonctionnement choisie égale à 750 kHz. En fait, dans cet exemple de réalisation, seulement le quart de cette bande possible est utilisé, soit 75kHz, les bandes de réception étant distantes de 25kHz. Mais il est possible d'augmenter le nombre de fréquences de ce sonar jusqu'à n=16, c'est-à-dire de faire en monovoie l'équivalent d'un sonar à 16 voies préformées. La figure 5 représente un exemple de distribution des fréquences d'émission dans le temps. Les fréquences choisies sont les suivantes:- 700kHz, 725kHz, 750kHz et 775kHz. Ce choix est effectué de façon dissymétrique pour éviter les fréquences trop élevées dont l'absorption est importante. Une émission est déclenchée toutes les 25 millisecondes soit l'équivalent de 18,75m sur, le terrain. Le synoptique général de ce sonar, représenté sur la figure 6, comprend une chaîne d'émission reliée à l'antenne lO d'emission, 20, et une chaine de réception reliée à l'antenne de réception, 30. Les deux antennes sont représentées colinéaires mais elles peuvent être séparées. Elles sont constituées de transducteurs acoustiques transformant en émission le signal électrique reçu en onde acoustique, ou transformant en réception l'onde acoustique en signal électrique. L'antenne d'émission, 20, comprend un seul transducteur acoustique 1, servant à la fois à l'émission et à la réception, mais une partie seulement du transducteur, 1, sera utilisée à l'émission pour couvrir un secteur angulaire égal à 6 soit l'équivalent de 4 voies. La directivité de l'antenne à l'émission ne sera en fait que de 12 pour des raisons de sy:métrie et pour pouvoir explorer l'espace dans les deux sens. Un moteur, 2, muni de son électronique de commande, 3, entraîne les antennes sur 60 . La chaîne d'émission comprend - un générateur de fréquences, 4, qui élabore les fréquences de 700kHz, 725kHz, 750kHz, et 775kHz; - un découpeur de signaux, 5, qui forme les impulsions à émettre. Afin d'éviter que les impulsions émises perturbent les secteurs de réception chaque impulsion est pondérée dans le temps pour générer des lobes secondaires fréquentiels les plus bas possibles. La pondération utilisée est de Gauss ou de Hamming. ou d'autres pondérations connues; - un amplificateur de puissance, 6, qui envoie l'énergie électronique à la partie émission de l'antenne - un séquenceur, 7, déclenche les séquences en temps opportun et assure la synchronisation de tout le sonar. La chaîne de réception comprend: - des transducteurs de réception formant l'antenne de réception auxquels est connecté un préamplificateur linéaire, 8, qui reçoit simultanément les 4 fréquences et qui possède un filtre laissant passer ces 4 fréquences, à rejection pour toutes les fréquences qui ne sont pas comprises entre 698kHz et 777kHz. Ce préamplificateur possède un signal d'inhibition qui est actif lorsque l'émission se produit. Il y aura donc absence de réception pendant les 4 émissions, soit pendant un temps très court (4x2501ts) ce qui représente 1% du temps. Cette inhibition est nécessaire car il y a une grande différence d'amplitude entre le signal émis et le signal reçu (de 120dB à 150dB) et il n'est pas possible de faire de la réception pendant l'émission. Ce préamplificateur 8 possède un gain variable avec le temps pour compenser les pertes par absorption. Si l'absence de réception pendant les émissions est intolérable, il est possible de doubler le nombre de codes émis n et de changer la synchronisation d'émission, en la déplaçant d'une demi-récurrence soit de 12,5ms, toutes les n émissions et de reconstituer ainsi une image sans inhibition toutes les 2n récurrences. Dans ce cas l'antenne doit tourner deux fois plus vite et seulement une image sur deux est présentée complète - quatre filtres, 9 à 12, permettant de reconstituer en temps réel l'image complète sur les 75m de propagation. Ainsi, par exemple, le premier filtre restituera le signal entre 0 et 18,75m le deuxième entre 18,75m et 37,5m, le troisième entre 37,5m et 56,25m et le quatrième entre 56,25m et 75m. Une attention toute particulière sera portée à la qualité de ces filtres qui doivent posséder une grande dynamique, de l'ordre de 80dB, et une faculté de réjection des fréquences voisines de l'ordre de 60dB. En l'état actuel de la technique, les filtres à quartz sont très bien adaptés à ce problème - enfin, les signaux issus des quatre filtres subissent un traitement classique effectué dans un circuit de traitement, 13, tel qu'un contrôle précis de l'amplitude des signaux par un régulateur d'amplitude, la détection, l'intégration pour éliminer les fluctuations rapides du signal et améliorer le rapport signal à bruit, la numérisation pour convertir le signal analogique en signal numérique. Les signaux issus de ce circuit de traitement, 13, sont alors présentés sur un dispositif de visualisation. Le système décrit dans cet exemple reflète une réalisation classique analogique de la partie réception. Il est également possible d'utiliser un système de conversion analogique numérique en sortie du préamplificateur, 8, avec filtrage et traitement numérique. Par ailleurs, un changement de fréquence ou une démodulation quelconque peuvent être aussi envisagés. Les traitements équivalents à celui précisément décrit, ne remettent pas en cause l'application du procédé. Enfin, l'invention ne se limite pas à un code de fréquences pures, il est possible d'utiliser d'autres codes, par exemple un code de fréquences modulées disjointes. 1i REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter d'un facteur n la cadence image d'un sonar comportant une antenne d'émission mobile couvrant un secteur de largeur angulaire 0 E et une antenne de réception mobile couvrant un secteur de largeur angulaire 0ER caractérisé en ce qu'il consiste à émettre n codes successifs non corrélés dans un secteur de largeur angulaire 0E exactement égal à nOR, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps sans attendre que le premier signal émis n'ait atteint la portée maximale dmax du sonar, et à recevoir dans le secteur de largeur angulaire 0R les échos de ces n codes provenant de n zones de propagation contig es selon l'axe de réception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles ayant une profondeur égale à dmax/n. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les codes successifs sont des fréquences pures distinctes. 3. Sonar pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des antennes d'émission et de réception, une chaîne d'émission reliée à l'antenne d'émission (20), une chaîne de réception reliée à l'antenne de réception (30), caractérisé en ce que la chaîne d'émission comprend: - un générateur de fréquence (4) qui élabore les codes de fréquences, - un découpeur de signaux (5) qui met en forme les impulsions à émettre et dont l'entrée est reliée à la sortie du générateur de fréquences (4), - un séquenceur (7) relié au découpeur de signaux (5) et au générateur de fréquences (4) qui commande I'émission, - et un amplificateur (6) relié à l'antenne d'émission (20) et au découpeur de signaux (5). au découpeur de signaux (5). 4. Sonar selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chaîne de réception comprend - un pré-amplificateur linéaire (8) relié A l'antenne de reception et de bande assez large pour laisser passer toutes les fréquences du code, - le séquenceur (7) relié au pré-amplificateur linéaire (8), - des filtres (9) A (12) reliés au pré-amplificateur (8) et respectivement centré sur les différentes fréquences du code pour reconstituer en temps réel l'image complète du secteur 1 l'amplitude, détection, intégration, numérisation. 5. Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que le préamplificateur (8) possède un signal d'inhibition qui est actif lorsque l'émission se produit. 6. Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que les filtres (9) A (12) sont des filtres A quartz. 7. Sonar selon l'une quelconque des revendications 3 A 6, caractérisé en ce que les antennes d'émission et de réception sont colinéaires ou partiellement communes. 8. Sonar selon l'une quelconque des revendications 3 A 7, caractérisé en ce qu'il est un sonar monofaisceau frontal, les antennes d'émission et de réception mobiles étant tournantes. 9. Sonar selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est A impulsions, A balayage mécanique et A émission A large secteur et multifréquences. 10. Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 A 7, caractérisé en ce qu'il est un sonar latéral A voies parallèles, les antennes d'émission et de réception étant mobiles du fait du mouvement du porteur.