Brevet FR2658691A1 — publié le 19910823

Procédé et dispositif de détection en mer La présente invention concerne la détection en mer. Les spécificités du milieu marin font que ne s'y propagent sans atténuations excessives que les ondes électromagnétiques de basse ou très basse fréquence, les ondes acoustiques, ou certaines particules nucléaires exotiques interagissant peu avec la matière. Les moyens classiques de détection, qu'il s'agisse des radars émetteurs d'ondes électromagnétiques ou des détecteurs d'émissions optiques dans l'infrarouge ou le visible, pour ne prendre que ces exemples, sont très peu efficaces, voire totalement inopérants. I1 en résulte que seule la détection acoustique est véritablement efficace en milieu marin. Elle est d'ailleurs largement pratiquée. Cependant, on sait maintenant faire en sorte de diminuer les bruits acoustiques rayonnés par un mobile marin ou sousmarin, qu'il s'agisse de son système de propulsion ou de sa machinerie interne. La détection acoustique par écoute passive devient donc de plus en plus difficile à pratiquer. Quant à la détection acoustique active (sonar), elle présente l'inconvénient évident de permettre un repérage du mobile porteur du sonar. I1 existe encore des réseaux fixes d'écoute, constitués de lignes d'hydrophones. Leur fixité en limite d'une part l'intérêt. D'autre part, leur efficacité s'amoindrit avec la diminution des bruits acoustiques rayonnés par les mobiles à surveiller. I1 ne reste donc guère que l'écoute passive comme moyen de détecter des mobiles en milieu marin ou sous-marin sans risque d'être repéré. Mais, dès lors qu'un système d'écoute passive est implanté lui-même à bord d'un mobile, et que celui-ci est en déplacement, il va créer des zones d'ombre, où l'écoute ne pourra être effectuée, à cause de ses propres bruits. C'est en particulier le cas pour le bruit des sillages créés par une hélice. Le problème auquel s'est attaquée la Demanderesse consiste à permettre une détection en mer qui ne présente pas cet inconvénient. A cet effet, il est proposé un procédé de détection en mer, applicable à partir d'un mobile marin ou sous-marin, en particulier d'un submersible en plongée, qui comprend les opérations consistant - d'une part, à larguer un capteur acoustique, relié au mobile par une fibre optique, et propre à renvoyer, modulée par les signaux acoustiques qu'il capte, une onde lumineuse émise par le mobile, et - analyser l'onde renvoyée pour en tirer les signaux acoustiques perçus par le capteur. Ce procédé présente l'avantage de fournir un capteur qui n'est pas gêné par les bruits propres du mobile, qui peut être purement passif, et aussi de très faible taille, d'où un double avantage au niveau, d'une part de son encombrement au stockage, d'autre part du risque qu'il soit repéré. Avantageusement, l'onde renvoyée se distingue de l'onde incidente par sa polarisation. En pratique, le capteur comprend un boîtier logeant un interféromètre optique dont les deux bras sont différemment sensibles au rayonnement acoustique. L'interféromètre optique est avantageusement du type Mach-Zender. Dans un mode de réalisation particulier, le boitier loge une enceinte acoustiquement isolée dont sort l'un des bras de l'interféromètre, qui est ainsi rendu sensible au rayonnement acoustique ambiant. Cette sensibilité résulte du fait que le bras concerné comporte un milieu dont l'indice optique varie en fonction de la pression acoustique. Elle pourrait également résulter de ce que le bras sensible comporte un organe optique, tel qu un miroir, monté sur un support lui-même sensible au rayonnement acoustique. Un autre aspect essentiel du procédé est, au niveau de l'analyse de l'onde renvoyée, que l'examen de la variation du niveau moyen du champ acoustique perçu par le capteur en fonction de sa distance au mobile largueur permet de détecter la présence d'un second mobile à quelque distance. En effet, au fur et à mesure que le capteur s'éloigne du largueur, il perçoit avec une intensité diminuante les bruits de son largueur, et une réaugmentation du niveau acoustique perçu signifie en principe la présence d'un second mobile à quelque distance. Selon un autre aspect intéressant de l'invention, le capteur est rendu isobathe, c'est-à-dire qu'il va demeurer sensiblement à sa profondeur de largage. Ce procédé convient particulièrement pour la détection d'un mobile suiveur tel qu'un sous-marin ou un navire de surface. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, on prévoira un dispositif comprenant un capteur relié à une extrémité d'une fibre optique, tandis que l'autre extrémité de celle-ci est reliée à un dispositif d'analyse. Les caractéristiques particulières de ces moyens ont été définies plus haut. Le spécialiste concevra aisément qu'un tel dispositif peut être rendu de petite taille, et logé facilement à l'intérieur d'un submersible. I1 peut être largué par exemple à l'aide des moyens de largage habituels que comporte un submersible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 2 illustre de façon plus détaillée une partie du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est un diagramme d'intensité acoustique en fonction du temps permettant de mieux comprendre un aspect de la présente invention; et - la figure 4 est une illustration encore plus détaillée du schéma de la figure 2. Sur la figure 1, le cadre en trait tireté marqué SM représente un sous-marin, tandis que le cadre marqué C représente le capteur selon l'invention, relié au sous-marin par une fibre optique. Initialement, le capteur est bien entendu à bord du sous-marin, et il en sera largué par tout moyen adéquat, comme par exemple l'usage d'un tube lance-torpilles, ou mieux d'un caisson situé à l'extérieur de la coque. On appelle "première unité optique" les éléments de l'invention qui resteront de toute manière liés au sous marin, et "seconde unité optique" ceux qui sont à l'autre extrémité de la fibre optique et vont faire partie du capteur. La première unité optique comprend une source optique cohérente S1, telle qu'un laser ou une diode laser. Cette source optique S1 est appliquée à une entrée S21 d'un circulateur optique S2 qui comporte une entrée-sortie S22 et une autre sortie S23. Le circulateur optique a pour effet de séparer totalement son entrée S21 de sa sortie S23. La sortie S23 est reliée à un photodétecteur S3, dont la sortie est elle-même appliquée à un dispositif électronique d'acquisition et de traitement S4. La sortie S22 du circulateur optique S2 est reliée à la fibre optique, qui va pouvoir traverser le milieu marin (en opération) pour rejoindre le capteur C, sous la forme de l'entrée Cîl du circulateur optique C1 incorporé à ce capteur. Ce circulateur optique C1 peut être de même constitution que le circulateur S2 de la première unité optique. Sa sortie C12 est appliquée à un capteur intégré optique C2. La sortie de celui-ci est appliquée à un organe C3 qui peut être un convertisseur de polarisation, et qui revient vers l'entrée C13 du circulateur C1. La figure 2 illustre de façon plus détaillée un exemple de structure du capteur intégré optique C2. A partir de son entrée, il est constitué un interféromètre, qui commence par un séparateur optique C21 possédant deux voies de sortie C22 et C23, lesquelles sont réunies dans un recombineur optique C24 qui fournit la sortie de l'organe C2 vers le convertisseur de polarisation C3. Un aspect important de l'invention est que l'ensemble du capteur C est placé à l'intérieur d'une enceinte de protection acoustique EPA. Sur la figure 2, on la fait apparaitre uniquement en ce qui concerne le capteur C2, puisque c'est lui qui est chargé de percevoir les signaux acoustiques ambiants. Cette enceinte EPA recouvre donc l'ensemble du capteur, y compris les organes C21, C22 et C24, mais à l'exception d'une partie au moins du trajet C23, lequel traverse un milieu acoustiquement sensible MAS. Le trajet de la lumière est ainsi rendu différent entre les bras C22 et C23 de l'interféromètre, d'où il résulte sur la sortie C3 une information qui peut être recouvrée comme on le verra ci-après. Ici, on a décrit un mode de réalisation où l'un des bras est rendu acoustiquement sensible tandis que l'autre sert de référence. Bien entendu, on pourrait également rendre les deux bras acoustiquement sensibles, mais d'une manière différente, éventuellement antagoniste, pour obtenir des propriétés un peu différentes du capteur. Le spécialiste comprendra que l'on peut réaliser ainsi un capteur C qui est entièrement passif, ne disposant d'aucune source d'énergie interne, qu'elle soit électrique, chimique ou autre. Ceci élimine toute contrainte de maintenance ou opération de vérification/mise en oeuvre trop complexe. En outre, le capteur peut être rendu de très petite taille. I1 pourra fonctionner d'une manière déportée de toute façon adéquate. I1 est intéressant que ce capteur, après son largage par le sous-marin, reste à flotter entre deux eaux à un niveau sensiblement égal à celui auquel il a été largué. Ceci peut être réalisé, pour l'ensemble du système fibre optique + capteur, par des moyens de stabilisation hydrauliques, tels que des ailerons de stabilisation. En effet, du fait que le sous-marin sera le plus souvent mobile, un aileron de stabilisation suffira pour maintenir l'ensemble fibre optique et capteur à un niveau constant, et à quelque distance derrière le sous-marin, typiquement une centaine de mètres. Une variante de l'invention consiste à réaliser une régulation passive du volume par détente d'un gaz liquéfié dans une enveloppe flexible, à l'intérieur du capteur. Le spécialiste connait d'autres moyens permettant de rester approximativement à la profondeur initiale de largage. De tels moyens sont notamment utilisés dans les bathyscaphes. Un autre aspect de l'invention est que le câble reliant le sous-marin SM au capteur C est constitué d'une fibre optique unique, qui est de préférence monomode. En pratique, la source S1 du sous-marin émet une lumière conérente de puissance optique constante, stable, et non modulée, que l'on va transmettre par le circulateur S2 dans la fibre optique FO. Ce signal non modulé arrive donc également dans le circulateur C1 du capteur. I1 fournit à son tour un signal monochromatique d'amplitude constante à l'organe capteur proprement dit C2. Celui-ci produit deux faisceaux d'amplitude égale transitant par les bras C22 et C23 de la figure 2. Au repos, les deux bras ont des trajets de longueur voisine. L'onde acoustique ambiante incidente va créer des variations d'indice de l'eau, qui se trouve être ainsi le milieu acoustiquement sensible. Ces variations d'indice de l'eau vont alors créer un retard variable sur le trajet C23. Après recombinaison des deux faisceaux dans l'organe C24, on obtient une onde totale dont l'intensité fluctue au rythme des ondes acoustiques incidentes. A cet effet, l'organe C2 peut être réalisé sous la forme d'un interféromètre de Mach-Zender ou encore de Michelson. Mais d'autres structures interférométriques ou analogues peuvent également convenir. De préférence, mais non nécessairement, le signal ainsi fluctuant en fonction du niveau acoustique ambiant qui sort de l'organe C2 va rentrer dans un convertisseur de polarisation CP qui va faire tourner la polarisation de l'onde de 90" par rapport à sa valeur incidente. On transmet alors le signal ainsi obtenu à l'organe C1, qui le renvoie en sens inverse sur la fibre optique FO vers l'organe S2 d'où ce signal sort par la sortie C23 vers le photodétecteur S3. Celui-ci établit un courant électrique représentatif d'une manière instantanée du signal acoustique reçu. Si la fibre optique FO est une fibre monomode ordinaire, les composants S2 et C1 peuvent être alors des séparateurs de polarisation, ce qui rend impératif l'usage d'un convertisseur de polarisation en C3. On peut également utiliser une lame séparatrice convenablement orientée de façon à remplir les conditions de propagation unidirectionnelle données plus haut pour les circulateurs optiques S2 et Cl. Si la fibre optique est une fibre monomode à maintien de polarisation, alors on peut se contenter, au niveau des organes S2 et C1, d'une simple lame séparatrice, et le convertisseur de polarisation C3 n'est pas indispensable. Du fait du montage proposé, quelle que soit la situation de la fibre, qu'elle soit relâchée ou tendue, enroulée ou déroulée, seules les perturbations acoustiques (mécaniques) engendrées au niveau du capteur C2 seront transmises au photodétecteur S3. La sortie du photodétecteur S3 est appliquée à des dispositifs d'acquisition et de traitement S4, qui vont notamment permettre d'établir le niveau du signal acoustique capté. La figure 4 fait apparaître à titre d'exemple illustratif une réalisation particulière du capteur C, avec son enceinte de protection acoustique EPA. La sortie de la fibre FO traverse un collimateur C, suivi du circulateur optique C1 qui est ici un prisme à sépration de polarisation, puis d'un miroir M1 à réflexion totale. Une lame semi-transparente L1 dévie une partie du faisceau vers un hublot H1, après quoi ce faisceau subit plusieurs aller-retour, dans l'eau de mer, entre les miroirs M2 et M3. Par le hublot H2, il rejoint la lame semi-transparente L2, pour se recombiner avec l'autre partie du faisceau. Enfin, un miroir M4 le renvoie vers la lame demi-onde L5 (conversion de polarisation), puis le circulateur optique C1. La figure 3 fait apparaître comment une variation de niveau peut permettre de détecter un mobile placé à quelque distance. En effet, au moment où le capteur selon l'invention est largué de son sous-marin porteur, il va d'abord enregistrer les bruits de ce sous-marin, qui est présumé en mouvement. Au fur et à mesure que s'écoule le temps, la distance du capteur par rapport au sous-marin va augmenter, jusqu'à déroulement complet de la fibre optique. Le bruit propre du sous-marin largueur va diminuer. Si le dispositif enregistre une augmentation brutale du bruit à partir d'une certaine distance, cela signifie alors qu'il reçoit un bruit d'origine externe, qui a toutes chances d'être créé par un autre mobile sous-marin. Le dispositif décrit constitue donc une solution élégante du problème posé, puisque le sous-marin va pouvoir détecter un mobile externe d'une façon totalement autonome, et quelle que soit la position du mobile par rapport à lui, y compris dans ses zones d'ombre. Du fait que le système est totalement passif, le sous-marin ne va pas se désigner comme il le ferait en utilisant un sonar actif. Par ailleurs, le capteur lui-même est totalement passif, et de très petite taille, ce qui le rend facile à mettre en oeuvre dans de bonnes conditions de sécurité, en même temps que particulièrement discret. Le câble de liaison du capteur au sous-marin ne comporte qu'une fibre unique optique monomode, qui peut s'étendre sur plusieurs kilomètres. Bien entendu, on associera à cette fibre des moyens de maintien mécanique adéquats. I1 en résulte donc un dispositif particulièrement satisfaisant dont le coût d'ensemble est minimal. Lorsque le capteur a rempli sa fonction, il peut être, soit récupéré par rembobinage du câble optique sur un mandrin, soit coulé. I1 peut être coulé en coupant le câble optique au niveau du sous-marin, si la flottabilité du capteur lui-même est négative à vitesse nulle. Une variante consiste à injecter dans la fibre une longueur d'onde optique particulière, avec une puissance totale suffisante pour, focalisée sur un produit chimique inflammable par exemple, déclencher un mécanisme physique entraînant la chute du capteur au fond de l'océan, où il sera irrécupé rable, sinon détruit par les très hautes pressions qui y règnent. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et s'étend à toute variante conforme à son esprit. La sensibilité acoustique du dispositif, au lieu d'être assurée par variation de l'indice optique du milieu traversé par la lumière, pourrait aussi être obtenue par déplacement d'un organe optique sensible à la pression acoustique, cet organe optique pourrait par exemple être l'un des miroirs de l'interféromètre, monté sur support microphonique, ou plus exactement hydrophonique. Revendications 1.- Procédé de détection en mer, à partir d'un mobile marin ou sous-marin, en particulier d'un submersible en plongée, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant a: - larguer un capteur acoustique (C), relié au mobile (SM) par une fibre optique (FO), et propre à renvoyer, modulée par les signaux acoustiques qu'il capte, une onde lumineuse émise par le mobile, et - analyser (S4) l'onde renvoyée pour en tirer les signaux acoustiques perçus par le capteur. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde renvoyée se distingue de l'onde incidente par sa polarisation. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur comprend un boitier logeant un interféromètre optique dont les deux bras sont différemment sensibles au rayonnement acoustique. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'interféromètre est du type Mach-Zender. 5.- Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le boîtier loge une enceinte acoustiquement isolée, dont sort l'un des bras de l'interféromètre, qui est ainsi rendu sensible au rayonnement acoustique ambiant. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras sensible comporte un milieu dont l'indice opti que varie en fonction de la pression acoustique. 7.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras sensible comporte un organe optique, tel qu'un miroir, monté sur un support sensible au rayonnement acoustique. 8.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyse comprend l'examen de la variation du niveau efficace du champ acoustique perçu par le capteur, en fonction de sa distance au mobile largueur. 9.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur est rendu isobathe, restant sensiblement à sa profondeur de largage. 10.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, appliqué à la détection d'un mobile suiveur, en particulier sous-marin ou de surface. 11.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur relié à une extrémité d'une fibre optique, dont l'autre extrémité est reliée à un dispositif d'analyse.