Brevet FR2639718A1 — publié le 19900601

Radar ultrasonique à visée latérale notamment embarqué dans un véhicule sous-marin se déplaçant au- dessus d'une surface de visée" La présente invention concerne un radar ultrasonique (encore appelé sonar) à visée latérale et en particulier un transducteur d'émission. Dans les systèmes de visée latérale, le sonar est monté sur un véhicule qui se déplace suivant une trajectoire à une certaine altitude au-dessus de la zone de visée. Un transducteur d'émission dirige l'énergie acoustique de chaque côté de la trajectoire cette énergie rencontre la zone-cible suivant une bande relativement étroite. Ce procédé de visée directive sera appelé ci-après balayage. Un transducteur-récepteur reçoit l'énergie acoustique réfléchie par la bande balayée et pendant le déplacement du véhicule, les signaux de retour sont représentés ligne par ligne, ce qui donne un schéma de zones lumineuses et d'ombres analogue à un panorama de visée optique, éclairé par un éclairage de côté; les objets sont ainsi mis en évidence par leur silhouette pour permettre leur identification. La vitesse du véhicule et ainsi la vitesse de recherche ou de balayage peuvent être augmentées de manière significative, si l'on augmente la zone détectée et affichée pour chaque transmission acoustique. Pour cela, on utilise un appareil de traitement du signal qui crée un ensemble de faisceaux de réception qui regardent chacun une bande relativement étroite de la région balayée. Dans un système de traitement, on forme huit faisceaux-récepteurs de chaque côté du véhicule et on obtient une résolution relativement bonne pour l'identification d'une cible. La région balayée par le système à huit faisceaux correspond sensiblement à la largeur des huit faisceaux pour une certaine plage minimale d'intérêt et elle augmente légèrement en largeur pour une plage de plus grand intérêt pour donner une trace trapézoïdale. Cette différence de largeur est souhaitable pour absorber les faibles variations de vitesse du véhicule et les oscillations du véhicule autour de son axe vertical (embardé). Pour un travail avec une résolution extrêmement élevée, on utilise un système avec un déplacement à des vitesses plus faibles et on génère un nombre plus réduit de faisceaux-récepteurs beaucoup plus étroits. Un système caractéristique à résolution élevée peut ainsi former trois faisceaux-récepteurs; dans ce cas, on peut utiliser le transducteur d'émission du système à huit faisceaux pour les trois faisceaux, car le schéma de balayage serait trop large. Or, souvent des transducteursémetteurs plus petits destinés à un système à forte résolution ne peuvent recevoir la puissance d'entrée souhaitée pour le balayage envisagé et souvent ces transducteurs se détruisent. Le radar ultrasonique à visée latérale selon la présente invention peut être utilisé pour un travail à forte résolution; il comporte un transducteur-émetteur permettant de recevoir un signal d'entrée de forte puissance pour balayer correctement la zone de visée. Le radar ultrasonique à visée latérale comprend un transducteur-émetteur allongé qui correspond à un arc de cercle de rayon R. L'arc est situé dans un plan faisant un certain angle 6 par rapport à la direction verticale, pendant le fonctionnement, l'angle e n'étant pas supérieur à 6' et de préférence de l'ordre de un à deux degrés. Le transducteur-émetteur travaille à une altitude H au- dessus de la zone de visée. Pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut que H et R correspondent à des valeurs différentes. Des moyens sont prévus pour alimenter le transducteur-émetteur pour que celui-ci envoie périodiquement de l'énergie acoustique vers la zone-cible. Selon une autre caractéristique de l'invention, H Selon une autre caractéristique de l'invention, H > R et l'angle 8 est négatif. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de radar comprend un boîtier recevant le transducteur-émetteur, ce boîtier pouvant tourner autour d'un axe horizontal pour modifier sélectivement l'angle 8. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de radat comprend: A) un transducteur-émetteur, B) un transducteur-récepteur, C) un moyen de traitement de signaux relié au transducteur-récepteur pour former trois faisceaux- récepteurs à forte résolution, pour recevoir les signaux acoustiques de retour d'une bande de balayage de forme trapézoïdale relativement étroite sur la surface visée, D) le transducteur-émetteur balayant cette bande, E) le transducteur-émetteur étant situé sur un arc de cercle de rayon R placé dans un plan qui fait un angle 8 par rapport à la direction verticale pendant la mise en oeuvre du système, cet angle e 8 6. Selon une autre caractéristique de l'invention, il comprend: A) un transducteur- émetteur situé sur un arc de cercle et projetant l'énergie acoustique vers une ligne focale perpendiculaire au plan contenant l'arc de cercle, B) le transducteur-émetteur étant à une altitude au- dessus de la surface de visée, telle que la ligne focale se trouve endessous du plan de la surface de visée, C) le plan contenant l'arc de cercle étant basculé vers la surface de visée suivant un angle 8 par rapport à la direction verticale, cet angle 8 ' 6-. Selon une autre caractéristique de l'invention, il comprend: A) un transducteur-émetteur situé sur un arc de cercle et projetant de l'énergie acoustique vers une ligne focale perpendiculaire au plan contenant cet arc de cercle, B) ce transducteur-émetteur étant à une altitude H au- dessus de la surface de visée, altitude telle que la ligne focale se trouvant en-dessous du plan de la surface de visée, C) le plan contenant l'arc de cercle étant basculé vers l'arrière par rapport à la surface de visée suivant un angle e par rapport à la direction verticale, cet angle 8 ' 6*. Un mode de réalisation préférentiel de l'invention sera décrit ci-après à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre un système de radar ultrasonique à visée latérale et à faisceaux multiples, embarqué sur un véhicule tracté. - les figures 2A et 2B montrent les faisceaux- récepteurs du système de radar ultrasonique à visée latérale, tracés au-dessus d'une région balayée de la zone de visée. - la figure 3 est un système de coordonnées XYZ montrant l'orientation du transducteur-émetteur de l'appareil de la figure 1. - la figure 4 montre les faisceau-récepteurs correspondant au cas d'un système de radar ultrasonique à visée latérale à nombre réduit de faisceaux et à forte résolution. - la figure 5 montre un autre type de transducteurs- émetteurs selon l'art antérieur. - la figure 6 représente un système de coordonnées en XYZ montrant les principes d'un transducteur en arc de cercle d'un radar ultrasonique à visée latérale focalisée selon l'art antérieur. - la figure 7 montre dans un système de coordonnées en XYZ, l'orientation d'un transducteur en arc de cercle selon un mode de réalisation de l'invention. - la figure 7A est une vue correspondant à la figure 7 en regardant suivant l'axe Y. - la figure 7B est une vue de la figure 7 dans la direction de l'axe X. - les figures 8A et 8B sont des vues respectives suivant l'axe X et l'axe Y dans un système de coordonnées XYZ d'un autre mode de réalisation de la présente invention. - les figures 9A et 9B sont des vues respectives suivant l'axe X et l'axe Y dans un système de coordonnées XYZ d'un autre mode de réalisation de l'invention. - la figure 10 est un schéma-bloc simplifié d'un système de transducteur d'un radar ultrasonique à visée latérale selon le mode de réalisation de l'invention de la figure 7. - la figure 11 montre une variante de l'appareil pour la mise en oeuvre des modes de réalisation des figures 8B et 9B. La figure i montre un système de radar ultrasonique à visée latérale et à faisceaux multiples porté ou embarqué dans un véhicule sous-marin 10 tiré suivant sa trajectoire au-dessus d'une surface de visée 12 par exemple le fond de la mer par l'intermédiaire d'un engin-tracteur. A la figure 1, l'engin-tracteur est représenté sous la forme d'un hélicoptère 14 bien que l'on puisse également utiliser des navires ou des submersibles. L'appareil est tiré à une certaine altitude au-dessus de la zone de visée 12 et la projection de sa trajectoire sur le fond porte la référence C. Au cours du déplacement au-dessus de la surface de visée, on effectue des émissions acoustiques répétées et on forme un ensemble de faisceauxrécepteurs pour obtenir une image ultrasonique de visée latérale de la zone de visée. Pour une plus grande couverture, le système utilise généralement à la fois un faisceau babord et un faisceau tribord 16, 16'. Les signaux du faisceau- récepteur correspondant à la zone de visée sont transmis par un câble 18 à l'équipement d'affichage dans l'engin-tracteur 14. La figure 2A est une vue en plan de la surface de visée; elle montre une zone de balayage , rectangulaire qui est comprise entre une certaine plage minimale R1 inet une plage maximale R.x. Sur la zone balayée 20, on a les faisceaux-récepteur- B1... B8 relativement étroits, adjacents; chaque faisceau donne une information optique correspondant à une bande respective relativement étroite de la zone de visée en vue de l'affichage. Pendant le fonctionnement réel audessus de la surface de visée, l'engin-tracteur peut être soumis à un mouvement de rotation, oscillatoire, limité ou à des variations de vitesse. Pour compenser les embardées gênantes et les variations de vitesse, on réalise une zone de balayage plus large dans la partie maximale de la plage que dans sa partie minimale; une telle zone balayée porte la référence 21 à la figure 2B; dans cette zone, on a tracé les faisceaux- récepteurs B1... B8. La figure 3 montre un procédé permettant d'obtenir une zone de balayage trapézoïdale selon la figure 2B. La zone balayée 24 se situe le long de l'axe X dans le plan XY représentant la zone de visée 12. Le transducteurémetteur est situé le long d'un arc de cercle 26 par rapport à l'axe Z à une altitude H au-dessus du plan XY. L'axe 26 est un arc de cercle compris dans le plan P1 représenté à la figure 3 pour être parallèle au plan XY. En pratique, le transducteur-émetteur qui se situe sur l'arc de cercle 26 est formé de plusieurs éléments transducteurs actifs allongés, adjacents tels que des éléments de titanite-baryum ou de titanite- zirconate de plomb; chaque élément présente un certain angle de courbure. Lorsque le transducteur-émetteur reçoit un signal d'alimentation, il projette l'énergie acoustique de la face convexe de l'arc et balaie la zone trapézoïdale 24. La figure 3 montre une orientation utilisée usuellement. Le schéma de balayage représenté à la figure 2B, généré par l'appareil de la figure 3, est suffisant pour obtenir une bonne résolution dans le cas d'un système à huit faisceaux. Toutefois, on a crée un système de résolution extrêmement élevée qui travaille avec des vitesses plus faibles et utilise un nombre plus réduit par exemple trois faisceaux- récepteurs de très haute résolution, extrêmement étroits. La figure 4 montre les trois faisceaux N1, N2 et N3 d'un tel système. De plus, la figure 4 montre un transducteur-récepteur 30 rectiligne; un tel transducteur est généralement formé d'un ensemble d'éléments actifs 31 allongés, adjacents, chacun pouvant fournir un signal de sortie respectif à la réception de l'énergie acoustique réfléchie par la surface balayée. Les signaux de sortie générés par les éléments actifs sont transmis à un appareil de traitement de signaux (non représenté) qui forme les faisceaux multiples; un exemple d'un tel appareil est donné dans le brevet US-A 3 950 723. Le traitement des signaux pour former les faisceaux N1... N3 consiste à déphaser les signaux de sortie individuels des éléments-transducteurs 31. Du du fait que ces éléments ont une longueur non infinie, le traitement du signal en plus de la génération des faisceaux-récepteurs souhaités, crée un échelonnement des lobes latéraux de chaque faisceau, ces lobes latéraux portant respectivement les références Sl... S3. Le schéma de balayage souhaité sur la surface de visée porte la référence 34; on voit que le schéma a une forme telle qu'il exclut de manière générale et autant que faire se peut, les lobes latéraux de la plage minimale à la plage maximale, si bien que les retours d'une cible sont reçus sur les faisceaux N1 35... N3. Si l'on utilisait l'appareil de la figure 3 pour la zone à balayer, le schéma 34 serait beaucoup plus large et il engloberait les lobes latéraux, ce qui créerait au niveau de l'appareil une information de direction de cible potentiellement fausse. Une solution potentielle pour obtenir une zone de balayage plus étroite consiste à diminuer la longueur du transducteur-émetteur. Pour obtenir l'intensité acoustique et la plage maximale souhaitées, il faut fournir une certaine puissance au transducteur- émetteur. Or si l'on diminue la longueur du transducteur pour réduire la dimension de la zone balayée, la puissance totale qui est alors fournie au transducteur de longueur réduite peut fissurer et détruire les éléments séparés du transducteur. Pour mieux distribuer la puissance en fonction de la forme de la zone à balayer, on a créé selon l'art antérieur un autre type de projection comme cela est représenté à la figure 5. Cette figure est une vue de face du transducteur qui est composée d'un ensemble de segments; les segments d'extrémité , 41 sont formés chacun de cinq éléments transducteurs actifs empilés; les sections 42, 43 sont formées chacune de quatre éléments empilés; les autres sections 44, 45 sont formées de deux éléments empilés et la section médiane 46 est formée d'un seul élément. Le transducteur est protégé; cela signifie que des puissances différentes sont fournies comme cela est représenté, aux différentes sections. Bien que ce transducteur constitue un perfectionnement par rapport à un transducteur en arc, court, dans certaines conditions de travail, la zone balayée n'était pas aussi uniforme que souhaitée et l'élément médian 46 avait une tendance à se fissurer. La figure 6 montre le principe d'un transducteur en arc focalisé. On a représenté un système de coordonnées XYZ, le plan XY contenant la surface de visée que l'on veut balayer. L'arc 50 compris entre les points a et b correspond à un transducteur courbe situé dans le plan vertical Pi, à une distance ou altitude H de l'origine O. Le transducteur courbe se trouve sur un arc de cercle dont le centre correspond au point O et dont le rayon est égal à R; chaque point de l'arc 50 est ainsi à la même distance R du point 0. La ligne F qui coïncide avec l'axe X est la ligne focale; elle est perpendiculaire au plan du cercle au plan O et tout point de la ligne F est équidistant de tous les points de l'arc 50. En pratique, le transducteur-émetteur peut être formé d'un ensemble d'éléments-transducteurs actifs dont les faces actives sont placées sur un arc ; lorsque ces éléments sont alimentés en énergie électrique, ils balaient en théorie la ligne focale sur une plage maximale; en réalité ils balaieront une petite zone trapézoïdale 52 qui peut être suffisamment large pour un système à un seul faisceau mais non pour un système à faisceaux multiples, tel que celui représenté à la figure 4. La figure 7 montre un mode de réalisation de la présente invention qui correspond & une modification du mode de réalisation selon la figure 6 pour arriver à une zone balayée plus grande, offrant une dimension suffisante pour le système à trois faisceaux de la figure 4, mais dont les dimensions soient relativement limitées pour éviter toute fausse information de cible qui pourrait être engendrée par les lobes latéraux. La figure 7 montre le même transducteur en arc de cercle 50 qu'à la figure 6, avec toutefois une orientation modifiée. Plus particulièrement, pour le plan XY qui correspond à la surface de visée 12, on diminue l'altitude de l'arc 50 de façon que H l'ordre d'un degré sans toutefois dépasser six degrés. Avec cette orientation, on obtient une zone de balayage 54 de forme trapézoïdale qui satisfait aux conditions posées. De manière générale pour une altitude de conception particulière H, le rayon de courbure R de l'arc 50 est donné par l'équation suivante: H R = - (1) Nr 1 - L Dans cette équation N est le nombre faisceaux- récepteurs; r est la résolution du faisceau et L la longueur du transducteur. L'angle de basculement de l'arc 50 vers l'avant vers la surface de balayage est donné par la formule suivante: x (R-H) e - radians (2) B Rm Dans cette formule, l'angle e est un radian, B est le nombre de largeurs de faisceaux dans la plage maximale et x correspond aux largeurs de faisceau additionnelles à la plage additionnelle. La figure 7A est une vue de la figure 7 suivant l'axe Y; cette figure montre le plan P1 suivant l'angle 8 égal à celui de l'enfoncement de la focale F par rapport à la direction horizontale. La figure 7B est une vue de la figure 7 suivant l'axe X; cette figure montre également la relation entre l'altitude H et le rayon de courbure R, l'origine 0 étant en-dessous du plan XY. Comme décrit à propos de la figure 4, certains systèmes à haute résolution permettent de travailler suivant deux modes; le premier mode correspond à une plage complète et l'autre mode ou mode en demi-plage correspond à un appareil qui est plus proche du fond et ne nécessite pas une grande largeur de schéma. Les figures 8A, 8B et 9A, 9B montrent d'autres modes de réalisation de la présente invention permettant de travailler en plage complète et en demi- plage. La figure 8A est une vue du système de coordonnées en XYZ en regardant suivant l'axe X vers le plan YZ; la figure 8B est une vue suivant l'axe Y. L'arc 60 se situe dans le plan P1 et a un rayon de courbure R de façon que la ligne focale F se trouve au-dessus de plan XY. Le plan P1 n'est pas basculé vers l'avant mais vers l'arrière par rapport à la surface de visée (c'est-à-dire le plan XY) d'un angle -8; cet angle e est de préférence de l'ordre de un degré; il ne doit pas dépasser six degrés. Selon la figure 8A, la largeur de la surface balayée dans le plan YZ est égale à W; cette largeur augmente progressivement vers l'extérieur jusqu'à la plage maximale pour définir une surface de balayage trapézoïdale. En mode de demi-plage, si la largeur dans le plan YZ est inférieure à W, par exemple W/2 et si l'altitude est par exemple H/2, alors on peut utiliser le montage représenté aux figures 9A et 9B. Dans ce montage, le plan P1 contenant l'arc 60 est basculé vers la surface de visée d'un angle +0 et la ligne focale F vient en-dessous du plan XY. Comme représenté à la figure 9A, la largeur initiale de la surface balayée pour de telles caractéristiques sera la largeur souhaitée W/2. La figure 10 montre l'appareil permettant la mise en oeuvre du mode de réalisation de la figure 7. A la figure 10, la référence 30 désigne le transducteur-récepteur; la référence 64 désigne le transducteur-émetteur qui se trouve le long de l'arc de cercle comme décrit précédemment pour la figure 7. Les deux types de transducteurs sont logés dans un seul boîtier 66; un appareil de traitement de signaux 88 peut fournir un signal d'initialisation à l'émetteur 70 pour alimenter le transducteur-émetteur 64 et projeter de l'énergie acoustique pour balayer la surface souhaitée. Puis, le signal acoustique de retour arrive sur le transducteur-récepteur 30 et le dispositif-récepteur 72 en liaison avec l'appareil de traitement de signaux 88 pour former des faisceaux de récepteurs multiples permettant d'examiner des surfaces extrêmement étroites de la zone balayée; le résultat de cette analyse est fourni au moyen de l'affichage 74. Les émissions se produisent périodiquement au cours du déplacement de la zone de visée, ce qui permet d'afficher et d'enregistrer l'image de toute la zone ou surface de balayage qui intéresse. On utiliserait le montage de la figure 11 pour le même appareil de traitement et d'affichage des signaux qu'à la figure 10 avec toutefois un boitier de transducteur distinct; le transducteur-récepteur 30 peut alors être logé dans un boîtier 82 et le transducteur-émetteur 80 dans un boîtier 83 pouvant tourner autour d'un axe horizontal sous l'action d'un mécanisme de réglage 86 pour modifier l'angle 8 et permettre de travailler en mode de plage complète et de demi-plage comme cela a été décrit ci-dessus à propos des figures 8A, 8b et 9A, 9B. REVENDICATIONS 1') Système de radar ultrasonique à visée latérale pour traiter une surface de visée, caractérisé par: A) un transducteur-émetteur (64), allongé, ayant une forme d'arc de cercle (50) de rayon R, B) cet arc étant situé dans un plan (P1) faisant un angle 8 par rapport à la direction verticale, en cours de fonctionnement, 8 5 6, C) ce transducteur-émetteur se trouvant à une altitude H au-dessus de la surface visée (12), H différent de R et, D) un moyen (88) pour alimenter le transducteur- émetteur, pour diriger périodiquement de l'énergie acoustique vers la surface visée. 2) Système de radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que H 3') Système de radar selon la revendication 1, caractérisé en ce que H > R et l'angle 8 est négatif. 4') Système de radar selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (83) recevant le transducteur-émetteur (80), ce boîtier pouvant tourner autour d'un axe horizontal pour modifier sélectivement l'angle 8. ') Système de radar ultrasonique à visée latérale destiné à traiter une surface de visée, système caractérisé en ce qu'il comprend: A) un transducteur-émetteur (64), B) un transducteur-récepteur (30), C) un moyen de traitement de signaux (72, 88) relié au transducteur-récepteur pour former trois faisceaux- récepteurs à forte résolution, pour recevoir les signaux acoustiques de retour d'une bande de balayage de forme trapézoïdale relativement étroite sur la surface visée, D) le transducteur-émetteur balayant cette bande, E) le transducteur-émetteur étant situé sur un arc de cercle (50) de rayon R placé dans un plan (P1) qui fait un angle 8 par rapport à la direction verticale pendant la mise en oeuvre du système, cet angle 8 S 6-. 6') Système de radar ultrasonique à visée latérale destiné à une surface de visée, système caractérisé en ce qu'il comprend: A) un transducteurémetteur (64) situé sur un arc de cercle (50) et projetant l'énergie acoustique vers une ligne focale (F) perpendiculaire au plan (P1) contenant l'arc de cercle, B) le transducteur-émetteur étant à une altitude au- dessus de la surface de visée (12), telle que la ligne focale se trouve en-dessous du plan de la surface de visée, C) le plan contenant l'arc de cercle étant basculé vers la surface de visée suivant un angle 6 par rapport à la direction verticale, cet angle 0 ' 6. 7) Système de radar ultrasonique à visée latérale destiné à traiter une surface de visée, caractérisé en ce qu'il comprend: A) un transducteurémetteur (80) situé sur un arc de cercle (60) et projetant de l'énergie acoustique vers une ligne focale (F) perpendiculaire au plan (P1) contenant cet arc de cercle, B) ce transducteur-émetteur étant à une altitude H au- dessus de la surface de visée, altitude telle que la ligne focale se trouvant en-dessous du plan de. la surface de visée, C) le plan contenant l'arc de cercle étant basculé vers l'arrière par rapport à la surface de visée suivant un angle e par rapport à la direction verticale, cet angle 8 S 6'.