Brevet FR2659451A1 — publié le 19910913

Procédé et dispositif de positionnement acoustique pour objet sous-marin et application à un chalut La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de positionnement acoustique pour objet sous-marin tracté ou auto-propulsé et à son application au positionnement d'un chalut par rapport à un chalutier et par rapport au fond. La connaissance précise de la position d'un objet sous-marin est particulièrement importante Notamment lorsqu'il s'agit d'un objet tracté par un bateau, cette connaissance per- met un meilleur guidage de l'objet et une meilleure navigation de l'ensemble bateau-objet pour diminuer les risques de pertes de l'objet, ce qui est souvent coûteux, et pour augmenter la sécurité de l'équipage en évitant les roches réputées dangereu- ses Par ailleurs, dans le cas d'un chalutier tractant un cha- lut, le guidage du chalut sur des fonds poissonneux connus et souvent situés près des zones rocheuses, doit être effectué avec précision pour obtenir des prises plus intéressantes et pour régler exactement la symétrie du train de pêche (ouverture hori- zontale) afin de rentabiliser au maximum les prises, étant donné qu'un faible décalage des funes (câbles de remorquage du cha- lut) diminue beaucoup le taux de remplissage du chalut. Actuellement, il existe différents systèmes pour contrôler la position d'un objet sous-marin, mais ces systèmes manquent de précision; la position de l'objet par rapport à un bateau de surface et par rapport au fond n'est déterminée qu'approximative- ment et lorsqu'il s'agit d'un objet tracté, ces systèmes néces- sitent de faire préalablement des points de repère sur les câ- bles de remorquage de l'objet, ce qui occupe l'équipage entier pendant au moins deux journées complètes et représente un man- que à gagner important. Pour résoudre ces problèmes, l'invention concerne un pro- cédé, et le dispositif correspondant, de positionnement acous- tique pour objet sous-marin, permettant de positionner exactement l'objet par rapport à un point de référence, par exemple un bateau, et par rapport au fond, la position du fond pouvant être connue à quelques mètres près Pour cela, le dispositif comprend, d'une part, fixé sur l'objet, un dispositif d'émission d'ondes acoustiques associé à des capteurs de position, et d'autre part, solidaire du point de référence, par exemple le bateau, un dispositif de réception des ondes acoustiques associé à un dispositif électronique de traitement et d'affichage des données Deux horloges synchrones, situées respectivement sur l'objet et sur le bateau, pilotant les capteurs, l'émission, la réception, le traitement des signaux et l'affichage des informations. Selon l'invention, le procédé de positionnement acoustique pour objet sous-marin, est caractérisé en ce qu'il consiste: à mesurer, à partir de l'objet sous-marin, des paramètres caractéristiques du positionnement de l'objet sous-marin; à coder les paramètres mesurés de façon à pouvoir les transmettre, sous forme de signaux acoustiques, dans le milieu sous-marin; à transmettre, de l'objet sous-marin vers un point de référence dont la position est connue, les paramètres codés, sous forme de signaux acoustiques dont le rythme et la fréquence sont adaptés au code choisi et aux mesures à transmettre; à recevoir les signaux acoustiques, au point de référence, et à en extraire, par décodage et par calcul, des paramètres relatifs au positionnement de l'objet sous-marin par rapport à ce point de référence. L'invention concerne également un dispositif de posi- tionnement acoustique pour objet sous-marin caractérisé en ce qu'il comporte: au moins une balise acoustique solidaire de l'objet sous-marin, équipée de moyens de mesure de la position de l'objet sous-marin, de moyens d'émission de signaux acoustiques, de moyens de commande des mesures et de l'émission; et, en un point de référence, deux hydrophones de réception des signaux acoustiques formant un goniomètre dont la position sous-marine est connue; et un dispositif de traitement comportant en série, dans un premier canal destiné à recevoir les signaux provenant des deux hydrophones, des moyens de filtrage pour sélectionner l'une des fréquences émises, des moyens de mesure de la différence de phase entre les signaux provenant de chaque hydrophone; en série, dans un deuxième canal destiné à recevoir les signaux provenant d'un seul hydrophone, des moyens de filtrage, des moyens de détection des différentes fréquences émises; les signaux issus du premier canal et du deuxième canal étant transmis à un dispositif de comptage et de calcul commandé par un dispositif synchronisé avec les moyens de commande et délivrant en sortie des informations de positionnement de l'objet sous-marin. 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: les figures la et lb, un chalutier remorquant un chalut et équipé d'un système de positionnement, selon l'invention, respectivement en coupe verticale et en vue de dessus; la figure 2, un exemple de visualisation des informations; la figure 3, un synoptique du dispositif d'émission, selon l'invention; la figure 4, le chronogramme des signaux émission et réception entre une balise acoustique et les hydrophones pour un cycle de mesures correspondant à une récurrence, selon l'invention; la figure 5, un schéma synoptique du dispositif de réception, selon l'invention; la figure 6, un schéma illustrant les positions relatives des balises acoustiques et des hydrophones, selon l'invention. La connaissance précise de la position d'un chalut par rapport à un chalutier et par rapport au fond étant un problème particulièrement important, la suite de la description sera faite en référence à cet exemple particulier Mais il est bien entendu que l'invention peut être utilisée pour d'autres applications sous-marines. Les figures la et lb, représentent respectivement une coupe verticale et une vue de dessus d'un chalutier remorquant un chalut et équipé d'un système de positionnement du chalut, selon l'invention Le chalutier 1, tracte le chalut 2, par l'intermédiaire de deux câbles, dits funes, 3, fixés par l'une de leurs extrémités Al, A 2, au chalutier et par l'autre extrémi- té Bl, B 2, aux pointes d'ailes 4 du chalut L'ensemble constitué par le chalut 2 et les funes 3 est appelé train de pêche. Sur chaque fune est disposé un panneau 6, par exemple en bois ou en plastique, jouant le rôle d'aileron de dérive et destiné à écarter les deux funes, 3, pour que le chalut, 2, s'ouvre. Deux balises acoustiques, 7, d'émission d'ondes acousti- ques sont fixées sur les points dont on veut connaître précisé- ment la position, par exemple, en avant des pointes d'ailes, 4, du chalut, 2 Ces balises, 7, se présentent comme des boîtiers de dimensions réduites supportant des chocs répétés et des pas- sages de poulies, ces poulies étant fixées à l'arrière du chalu- tier, 1, et servant au guidage des funes lors du largage du train de pêche à la mer ou lors de la remontée du train de pêche à bord du chalutier La flottabilité des balises acoustiques est négative pour que la balise prenne une bonne position à la mise à l'eau du chalut. Deux hydrophones 8 de réception d'ondes acoustiques, sont montés sur une perche 9 solidaire du chalutier 1, cette perche étant disposée soit sur le côté du chalutier soit dans un puits de coque Les deux hydrophones sont placés horizontale- ment pour former un goniomètre Ils reçoivent les signaux acoustiques en provenance des balises acoustiques et les transforment en signaux électriques qui sont retransmis par câbles jusqu'à un coffret électronique situé à bord du chalutier Ces hydrophones permettent de mesurer le gisement des balises acoustiques, angle G, jusqu'à 45 d'écartement des balises par rapport à l'axe de route du chalutier; la précision de la mesure est de l'ordre du degré Le coffret électronique, de faibles dimensions, calcule la distance oblique D séparant les balises 7 du chalutier 1, ainsi que les informations gisement, immersion et altitude des balises acoustiques; le lo gisement est déterminé par l'angle G entre l'axe de route du chalutier 1 et la projection, dans le plan horizontal, de la direction du train de pêche, l'immersion I est la distance entre les balises acoustiques 7 et la surface de la mer, l'altitude A et la distance entre les balises acoustiques 7 et le fond de la mer Pour effectuer ces mesures et ces calculs, chaque balise acoustique est équipée d'une horloge synchronisée sur une horloge maître située dans le coffret électronique. La figure 2 montre un exemple de visualisation des infor- mations La visualisation des informations peut se faire au niveau du coffret électronique Sur cette figure, deux encadrés Cl, C 2, indiquent en permanence les distances des balises acoustiques au chalutier Une commande spécifique donne dans un troisième encadré, C 3, les informations gisement, profondeur d'immersion, et altitude par rapport au fond des deux balises acoustiques. La figure 3 représente un synoptique du dispositif d'émis- sion, selon l'invention. A l'émission, les balises acoustiques 7 comportent, cha- cune, un sondeur 21 relié, par une liaison bidirectionnelle, à un dispositif de mesure d'altitude L t A, 22, un capteur de pression 23, relié à un dispositif de conversion 4 t I, 24, pour calculer respectivement leur altitude par rapport au fond et leur profondeur d'immersion, et une tête d'émission 25 pour envoyer les informations d'altitude et d'immersion sous forme de signaux acoustiques vers les hydrophones 8 Le sondeur 21 et le capteur de pression 23 sont choisis en fonction des caractéristiques souhaitées qui seront par exemple, pour le sondeur 21, une altitude maximum égale à 50 m, une précision égale 0, 5 m et une résolution de + 0, lm; pour le capteur de pression, une immersion maximale égale à 500 m, une précision égale à + 1, 5 m Pour la tête d'émission, la portée devra par exemple atteindre 1500 m. La balise acoustique peut comporter d'autres capteurs tels que par exemple, un capteur de température, un capteur de tension, un capteur d'ouverture, un capteur de remplissage du chalut. Chaque balise acoustique est équipée d'une horloge 26, synchrone d'une horloge maître située dans le coffret électro- nique, qui détermine la cadence de mesure et de transmission des signaux acoustiques Les horloges de chaque balise sont décalées l'une par rapport à l'autre, de façon à pouvoir les distinguer. La figure 4 représente le chronogramme des signaux émission et réception entre une balise acoustique et les hydrophones pour un cycle de mesures correspondant à une récurrence. Pour transmettre, sous forme de signaux acoustiques, les différents paramètres mesurés par les capteurs de la balise acoustique, vers les hydrophones de réception, il faut coder ces paramètres Le code choisi est un code temporel tel qu'à une valeur de chaque paramètre mesuré correspond un intervalle de temps Pour transmettre un tel code, un moyen utilisé consiste à émettre des impulsions acoustiques, en nombre suffisant pour transmettre tous les paramètres mesurés par les capteurs, les intervalles de temps séparant ces impulsions étant caractéristiques des paramètres mesurés Le chronogramme de la figure 4 concerne uniquement l'émission et la réception des signaux nécessaires pour calculer la position du chalut par rapport au chalutier, et les paramètres mesurés sont l'altitude A et l'immersion I de la balise acoustique Mais d'autres paramètres peuvent être codés et transmis de la même façon tel que, par exemple, des mesures de température, de tension, et des mesures d'ouverture du chalut ou de taux de capture. A chaque récurrence, la tête d'émission de chaque balise acoustique émet, à des dates différentes, trois impulsions vers les hydrophones: une impulsion de distance à la date t O et de fréquence fl (par exemple fl = 18 k Hz); une impulsion d'altitude à la date t O+ At A et de fréquence f 2 (par exemple f 2 = 20 k Hz) une impulsion d'immersion à la date t O+ At I et de fréquence f 2. L'intervalle de temps At A est une mesure de l'altitude de la balise acoustique 7 Cette mesure est effectuée de manière classique par le sondeur 21: le sondeur 21 émet un signal de fréquence fs (f S est très différente de fi et f 2, par exemple fs égale 300 k Hz) vers le fond sousmarin à la date t O et reçoit l'écho de ce même signal fs au bout d'un intervalle de temps à t A qui dépend de la distance du sondeur au fond sous-marin Cet intervalle de temps At A, mesuré par le dispositif de mesure d'altitude t 1 A, 24, est compris dans une fenêtre temporelle FA, entre les instants t O et tl, tel que l'instant tl correspond à la distance maximale mesurable par le sondeur. La mesure de la profondeur d'immersion de la balise acoustique est effectuée par le capteur de pression 23 à une date t 2 telle que t 2 >tl Cette mesure est ensuite convertie en intervalle de temps -i t 2 par le dispositif de conversion 24. L'intervalle de temps At 2 est donc une mesure de la profondeur d'immersion de la balise acoustique 7 qui est obtenue à partir de l'intervalle de temps 1 t I en lui retranchant (t 2-t O). L'intervalle de temps à t 2 est compris dans une fenêtre temporelle FI, entre les instants t 2 et t 3, tel que l'instant t 3 correspond à la profondeur d'immersion maximale mesurable par le capteur de pression 23 correspond à la profondeur d'immersion maximale mesurable par le capteur de pression 23. La discrimination entre les impulsions de distance et d'altitude est faite par la fréquence La discrimination entre les impulsions d'altitude et d'immersion est une discrimination temporelle obtenue en choisissant t 2 >tl. Les impulsions émises par l'une des balises acoustiques 7 sont reçues par les deux hydrophones 8 au bout d'un intervalle de temps A t D Cet intervalle de temps est une mesure de la distance oblique D entre cette balise acoustique 7 et les hydrophones 8. Un cycle de mesures correspond à l'émission, à la récep- tion et au traitement des signaux correspondant à une seule balise acoustique La deuxième balise acoustique émet des si- gnaux lorsque le premier cycle de mesures est terminé Une récurrence comporte deux cycles de mesures correspondant respec- tivement aux deux balises acoustiques. La figure 5 représente un synoptique du dispositif de réception, selon l'invention Les deux hydrophones 8 reçoivent les signaux acoustiques émis par une balise acoustique 7 et les convertissent en signaux électriques Ces signaux électriques sont préamplifiés dans des préamplificateurs, 10, et transmis par l'intermédiaire d'un câble jusqu'à un coffret électronique, 11. Dans le coffret électronique, 11, le traitement des signaux est effectué suivant deux canaux: dans un premier canal, les impulsions de distance à la fré- quence fl reçues par chacun des hydrophones, sont sélection- nées par filtrage et amplifiées dans un dispositif filtre et amplificateur 30, puis envoyées dans un dispositif traitement et phasemètre 31 qui effectue un traitement spécifique et qui mesure la différence de phase Aà Y entre les deux impulsions fl provenant de la même balise Cette différence de phase est transmise à un dispositif de comptage et de calcul, 34 qui en déduit la valeur de l'angle de dépointage, Oz, de la balise acoustique dans le plan hydrophone-balise acoustique. Dans un deuxième canal, les trois impulsions distance, alti- tude et immersion reçues d'une balise acoustique par un seul hydrophone, tribord par exemple, sont filtrées et amplifiées dans un dispositif filtre et amplificateur 32, puis traitées et détectées dans un dispositif de traitement et détection 33, et transmises au dispositif de comptage et de calcul 34. Les opérations effectuées dans le dispositif de comptage et de calcul 34 sont commandées par une horloge maître 35 Dans ce dispositif 34 sont déterminés les intervalles de temps At D, St A, et 6 t I correspondant respectivement à la distance, à l'altitude et à l'immersion de la balise acoustique. Ces intervalles de temps sont obtenus en comptant le temps écoulé entre la date t O à laquelle ont été émises les impulsions par la balise acoustique et les dates correspondant aux fronts de montée des Impulsions reçues La distance oblique D, et l'altitude A de la balise acoustique sont alors obtenues en multipliant A t D et a t A par la vitesse du son, c L'immersion de la balise acoustique est obtenue en convertissant A t I en hauteur d'eau La distance horizontale Dh et l'angle de gisement G de la balise acoustique sont obtenus par des calculs dont les paramètres sont illustrés par la figure 6, qui représente les dispositions relatives d'une balise acoustique par rapport aux hydrophones. Dans le dispositif, 34, le calcul de l'angle de dépoin- tage, o, est obtenu à partir de la mesure de la différence de phase à (p entre les deux impulsions de fréquence fl reçues par chaque hydrophone Pour deux hydrophones espacés d'une distance d, connue (par exemple comprise entre 5 et 20 cm), cette différence de phase est égale à: ( 1 A = 211 f d sin c 4, o c est la vitesse du son. c La distance horizontale Dh et l'angle de gisement G de la balise acoustique sont obtenus à partir des formules suivantes, dans lesquelles Z est l'immersion, connue, des hydrophones (par exemple égale à 1 mètre sous la coque du bateau) Pour la distance horizontale Dh ( 2) sin S = (I- Z)/D o S est l'angle de site de la balise acoustique déterminé par la formule suivante: ( 3) Dh = D cos S Pour l'angle de gisement G ( 4) sin G = (D/Dh) sin O C 0 ( étant l'angle de dépointage géographique de la balise acousti- que obtenu précédemment à partir de la mesure de la différence de phase 4 Y et à partir de la relation ( 1). Les résultats des calculs effectués par le dispositif de comptage et de calcul, 34, sont alors affichés sur un dispositif d'affichage 36. Différentes variantes peuvent être utilisées pour le trai- tement des signaux effectués par les dispositifs 31, 35 du cof- fret électronique, 11 Notamment, des techniques connues de traitement du signal peuvent être utilisées pour améliorer la portée et la précision de mesure angulaire au-delà du degré. Par exemple, la technique dite de "base ultra-courte" associée à un traitement cohérent Dans cette technique, les impulsions acoustiques émises par les balises acoustiques sont modulées en fréquence A la réception, les signaux reçus par les hydrophones sont préamplifiés et transmis au coffret électronique o ils sont numérisés et traités dans une chaîne de traitement du signal effectuant des opérations telles que filtrage adapté et compression d'impulsion. Chacun des signaux ainsi obtenus présente une alternance maximum, et le déphasage Ayrecherché est obtenu, dans le pre- mier canal de traitement du coffret électronique, 11, en mesu- rant l'écart de temps entre les sommets de ces alternances. L'angle de dépointage géographique t C en est alors déduit à partir de la formule sinoc= c A 'f /21 Â fl d, selon l'équation ( 1). Cette technique de recherche du pic maximum permet aussi d'augmenter la distance d entre les deux hydrophones au-delà de > /2, ( A étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence fi) en levant l'ambiguïté sur le choix des alternances à comparer. Une autre technique dite de "base courte" associée à un traitement cohérent, peut être utilisée. il Dans cette technique le traitement des signaux reçus par les hydrophones comporte toutes les étapes précédentes et com- porte en plus une démodulation L'angle de dépointage géographique c 4 est alors obtenu directement par différence de temps àt entre les maxima des deux enveloppes des signaux ainsi traités, suivant la relation ( 5) sin = c La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précisément décrits, notamment le système de locali- sation peut être utilisé pour des applications sous-marines variées telles que le positionnement des dragues de mine, le positionnement de systèmes remorqués divers (engins de mesu- res, sonars, systèmes d'enfouissements), le positionnement entre sous-marins, entre sous-marins et plongeurs, entre plongeurs. Dans chaque cas, les modules essentiels du système (bali- ses acoustiques, hydrophones, coffret électronique) ne changent pas dans leurs principes Seuls les moyens de fixations de ces différents sousensembles peuvent subir des adaptations spécifiques Certains paramètres tels que récurrences, portées, échelles de mesures peuvent également être modifiés en fonction de l'application, sans sortir du cadre de l'invention. De même, dans la description, l'objet sous-marin étant un chalut, l'emploi de deux balises acoustiques est nécessaire. Pour d'autres applications, le nombre de balises acoustiques peut être différent, sans sortir du cadre de l'invention. Il est également possible d'équiper la balise acoustique d'un nombre de capteurs différents pour émettre un nombre d'informations plus ou moins important à condition d'émettre un nombre d'impulsions correspondant. Le code utilisé pour transmettre les informations de la balise acoustique vers les hydrophones peut être différent, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de positionnement acoustique pour objet sous-marin, caractérisé en ce qu'il consiste: à mesurer, à partir de l'objet sous-marin, des paramètres caractéristiques du positionnement de l'objet sous-marin; à coder les paramètres mesurés de façon à pouvoir les transmettre, sous forme de signaux acoustiques, dans le milieu sous-marin; à transmettre, de l'objet sous-marin vers un point de référence dont la position est connue, les paramètres codés, sous forme de signaux acoustiques dont le rythme et la fréquence sont adaptés au code choisi et aux mesures à transmettre; à recevoir les signaux acoustiques, au point de référence, et à en extraire, par décodage et par calcul, des paramètres relatifs au positionnement de l'objet sous-marin par rapport à ce point de référence. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le code utilisé est un code temporel tel qu'à une valeur de chaque paramètre correspond un intervalle de temps; la transmission des paramètres mesurés est effectuée par l'émission d'impulsions acoustiques, en nombre suffisant pour transmettre tous les paramètres mesurés à partir de l'objet sous- marin, les intervalles de temps séparant ces impulsions étant caractéristiques des paramètres mesurés; le décodage des signaux reçus au point de référence, consiste d'une part, à compter les intervalles de temps séparant la première impulsion reçue de chacune des impulsions suivantes de façon à en déduire les paramètres mesurés par l'objet sous- marin, et d'autre part, à compter l'intervalle de temps séparant l'émission et la réception de la première impulsion pour en déduire la distance oblique (D) séparant l'objet sous-marin du point de référence. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paramètres mesurés à partir de l'objet sous-marin sont l'altitude (A) et l'immersion (I) de l'objet sous-marin; la transmission de ces paramètres est effectuée par l'émission vers le point de référence, à des dates différentes, de trois impulsions acoustiques dont la première, de fréquence f 1, est une impulsion de référence, les deuxième et troisième impulsions, de fréquence f 2, sont telles que les intervalles de temps (&t A, tit I) qui les séparent de la première impulsion sont caractéristiques respectivement des mesures d'altitude et d'immersion de l'objet sous-marin. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que simultanément avec l'émission, vers le point de référence, de la première impulsion de fréquence fl, est émis, à partir de l'objet, vers le fond sous-marin, un signal acoustique de fréquence fs dont l'écho est reçu au bout d'un intervalle de temps proportionnel à l'altitude de l'objet sous-marin; la réception de l'écho du signal de fréquence fs déclenche l'émission, vers le point de référence, de la deuxième impulsion de fréquence f 2; la mesure de l'immersion de l'objet sous-marin est une mesure de pression effectuée à une date supérieure à la date maximale de réception de l'écho du signal de fréquence fs; la troisième impulsion de fréquence f 2 est émise au bout d'un intervalle de temps, compté à partir de la date de mesure de la pression, correspondant à la valeur de la mesure après conversion temporelle de la pression. Dispositif de positionnement acoustique pour objet sous-marin pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins une balise acoustique ( 7) solidaire de l'objet sous-marin, équipée de moyens de mesure ( 21, 23) de la position de l'objet sous-marin, de moyens d'émission ( 25) de signaux acoustiques, une horloge de commande ( 26) des moyens de mesures et des moyens d'émission; et, en un point de référence, deux hydrophones ( 8) de réception des signaux acousti- ques formant un goniomètre dont la position sous-marine est connue; et un dispositif de traitement ( 11) comportant en série, dans un premier canal destiné à recevoir les signaux provenant des deux hydrophones ( 8), des moyens de filtrage ( 30) pour sélectionner l'une des fréquences émises, des moyens de mesure ( 31) de la différence de phase (à Y) entre les signaux provenant de chaque hydrophone; en série, dans un deuxième canal destiné à recevoir les signaux provenant d'un seul hydrophone, des moyens de filtrage ( 32), des moyens de détection ( 33) des différentes fréquences émises; les signaux issus du premier canal et du deuxième canal étant envoyés dans un dispositif ( 34) de comptage et de calcul commandé par une horloge ( 35) synchronisée avec l'horloge de commande ( 26), et délivrant en sortie des paramètres relatifs au positionnement de l'objet sous-marin. 6 Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dispositif de traitement ( 11) comporte, en outre, dans au moins l'un des canaux de traitement, des moyens de numérisation et une chaîne de traitement du signal pour effectuer des opérations de filtrage adapté et de compression d'impulsion. 7 Application du dispositif, selon l'une des revendications 5 à 6, à un chalut tracté par un chalutier, caractérisée en ce que le chalut est équipé de deux balises acoustiques d'émission de deux suites d'impulsions acoustiques, décalées dans le temps, telle que la deuxième balise commence à émettre lorsque les signaux émis par la première balise sont reçus sur les hydrophones, ces derniers étant fixés sous la coque du chalutier.