Brevet FR2669114A1 — publié le 19920515

APPAREIL POUR ATTENUER LES LOBES LATERAUX DANS UN DIAGRAMME DIRECTIONNEL DE RAYONNEMENT D'UN RESEAU L'invention se rapporte en général à des réseaux réalisant un faisceau de rayonnement et, en particulier, à un appareil pour détecter les signaux du réseau et diminuer la réponse des lobes latéraux du diagramme directionnel de rayonnement du réseau. Un réseau de transducteurs présente un directivité définie par son diagramme directionnel de rayonnement et lorsqu'utilisé comme un récepteur d'énergie, la direction d'arrivée de l'énergie peut être déterminée. Le diagramme directionnel de rayonnement présente généralement une direction de sensibilité maximale, ou réponse, qui se trouve le long d'un axe acoustique, de même qu'une pluralité de réponses d'intensité inférieure, correspondant à des lobes latéraux, se trouvant le long d'autres axes par rapport à l'axe acoustique. Afin d'éviter des détections non souhaitées de cibles ou signaux parasites dans les lobes latéraux, les signaux de sortie des éléments du réseau doivent être pondérés par un processus d'atténuation des lobes latéraux Bien que cette atténuation peut grandement diminuer les lobes latéraux, ils sont toujours présents et peuvent, dans certains cas, indiquer encore une cible fausse Dans la présente invention, les signaux produits par les éléments du réseau sont quadratiquement détectés d'une manière telle qu'on élimine complètement les lobes latéraux positifs tout en minimisant toute dégradation dans le lobe principal se trouvant le long de l'axe acoustique. L'appareil est prévu pour la détection quadratique des signaux produits par les éléments d'un réseau en réponse à l'impact de l'énergie L'appareil comprend des premiers circuits mis en oeuvre pour traiter les signaux des éléments afin d'obtenir un premier signal Des seconds circuits sont également prévus et comportent des moyens pour élever au carré chaque signal provenant des éléments afin d'obtenir un second signal qui est une sommation proportionnelle des signaux au carré avec un facteur d'échelle k o k est une valeur positive variable comprise entre O et 1 Des moyens sont prévus pour soustraire le second signal du premier signal et un filtre passe-bas est monté dans le circuit pour éliminer tout terme à fréquence double. Les modes de réalisation-préférés de l'invention seront décrits à l'aide d'exemples particuliers de réalisation en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 illustre un véhicule immergé et le diagramme de directivité du rayonnement réalisé par un dispositif sonar transporté par le véhicule; la figure 2 illustre un réseau d'éléments et les signaux respectifs délivrés comme résultat d'un impact d'une onde acoustique; la figure 3 est un schéma synoptique d'un détecteur quadratique de l'art antérieur; la figure 4 est un diagramme directionnel de rayonnement obtenu en utilisant la détection quadratique de l'art antérieur; la figure 5 illustre le diagramme directionnel de rayonnement de la figure 4 dans lequel la réponse des lobes latéraux est modifiée au moyen de l'atténuation des lobes latéraux selon l'invention; la figure 6 est un schéma synoptique illustrant un mode de réalisation de la présente invention; la figure 7 est un diagramme directionnel de rayonnement obtenu par l'appareil de la figure 6 pour une valeur extrême du facteur d'échelle; la figure 8 illustre le faisceau de la figure 7 en mettant en oeuvre l'atténuation des lobes latéraux selon l'invention; la figure 9 illustre le faisceau de la figure 8 avec un facteur d'échelle différent, et la figure 10 est un schéma synoptique illustrant un autre mode de réalisation de la présente invention. Bien que la présente invention soit applicable aussi bien à un système électromagnétique qu'à un système acoustique, celle-ci sera décrite à l'aide d'un système à sonar immergé tel qu'illustré à la figure 1. Sur la figure 1, un véhicule porteur immergé 10 avance le long d'un trajet prédéterminé au-dessus du fond 12 d'une masse d'eau Le véhicule 10 comporte un dispositif sonar qui constitue un récepteur de rayonnement 14 ayant un lobe principal caractéristique 15 de même qu'une pluralité de lobes latéraux 16 et 17 Pendant le déplacement du véhicule 10, des impulsions acoustiques sont émises et sont réfléchies en retour par des cibles potentielles intéressantes Une cible acoustiquement réfléchissante T sur le fond 12 peut réfléchir l'énergie acoustique d'une manière telle qu'elle est détectée au moyen du lobe latéral 16 Le sonar ne peut pas déterminer que la réponse était dans un lobe latéral et par suite délivrera une indication de cible fausse. C'est-à-dire que l'énergie reçue est supposée être dans le lobe principal qui devrait fournir une indication d'une cible T' qui, en réalité, est une cible fictive qui n'est pas actuellement dans la position indiquée. Par suite, l'élimination ou la réduction des lobes latéraux est souhaitable pour éliminer ou minimaliser les fausses alarmes Avant de progresser dans la description détaillée de la présente invention, référence est faite à la figure 2 pour illustrer un réseau de transducteurs et les signaux délivrés par les transducteurs Un réseau en ligne droite est illustré à l'aide d'un exemple et comporte (n + 1) éléments de transducteur appelés To à Tnt chacun séparé de son voisin d'une distance de La référence numérique 20 représente un front d'onde heurtant le réseau à un angle e au moment o il touche le transducteur TO A des moments ultérieurs dans le temps, le front d'onde heurtera le transducteur T 1 après avoir parcouru une distance a 1, heurtera le transducteur T 2 après avoir parcouru une distance a 2, heurtera le transducteur T 3 après avoir parcouru une distance a 3, etc A partir de la configuration géométrique ao = O ( 1) al = de sin e ( 2) a 2 = ( 2) de sin e ( 3) a 3 = ( 3) de sin e ( 4) an = (n) de sin e ( 5) Le signal So délivré par le transducteur To pris comme référence est So = cos (nt) Les autres transducteurs délivreront des signaux similaires, toutefois déphasés d'une valeur fonction des distances a 1, a 2, a 3, etc En convertissant en radians les valeurs ao à an, les signaux délivrés par les transducteurs respectifs du réseau sont: SO = cos (nt) ( 6) Sl = cos (nt 2 ff de sin 6) ( 7) X 52 = cos ( t _ ( 2) de sin e) ( 8) k 53 = cos ( t ff ( 3) de sin e) ( 9) Sn = cos ( t 2 (n) de sin @) ( 10) x I Un procédé par lequel les signaux de sortie du réseau peuvent être traités est le procédé de détection quadratique classique comme illustré à la figure 3 A des fins de commodité, seul un réseau linéaire à quatre transducteurs est représenté Chaque signal de sortie de transducteur est amplifié dans des amplificateurs respectifs AO à A 3 et par la suite les signaux sont sommés ensemble dans un circuit de sommation 24 Par la suite, les signaux sommés sont multipliés par eux-mêmes dans un circuit d'élévation au carré 26, dont le signal de sortie est représenté par (SO + SI + 52 + 53)2 ( 11) Le processus de multiplication introduit des termes à fréquence double qui sont éliminés par un filtre passe-bas 28 d'une manière telle que le signal de sortie du réseau apparaît sur une ligne de sortie 29. La figure 4 illustre un diagramme directionnel de rayonnement idéal pour le réseau de la figure 1 après détection quadratique L'amplitude est tracée sur l'axe vertical et l'angle est tracé sur l'axe horizontal et on peut voir que le diagramme directionnel de rayonnement comporte un lobe principal 34 dans lequel la plupart de l'énergie est concentrée, et une pluralité de lobes latéraux non souhaitables 35, 36 et 37. Afin de minimaliser la réponse des lobes latéraux de façon à minimaliser les fausses alarmes, il est connu de mettre en oeuvre un procédé qui atténue les lobes latéraux Dans ce procédé, les réponses des transducteurs du réseau peuvent être ajustées pour délivrer une réponse maximale au centre et des réponses progressivement plus faibles vers les extrémités du réseau Une forme classique d'atténuation des lobes latéraux est celle de correction d'amplitude dans laquelle les amplificateurs connectés pour recevoir les signaux de sortie des éléments de transducteur sont ajustés afin de présenter des gains prédéterminés en conformité avec la fonction de correction d'amplitude. Ainsi, le diagramme directionnel de rayonnement caractéristique de la figure 4 peut être modifié en celui illustré à la figure 5, dans lequel les lobes latéraux d'origine 35, 36 et 37 sont représentés en pointillé et les lobes latéraux après correction sont indiqués par des références numériques correspondantes 35 ', 36 ' et-37 '. La figure 6 illustre un mode de réalisation de l'appareil selon la présente invention pour éliminer les lobes latéraux positifs nuisibles sans réduire de manière significative l'énergie disponible dans le lobe principal du diagramme directionnel de rayonnement Des premiers circuits 40 sont prévus pour traiter les signaux des éléments de transducteur afin d'obtenir un premier signal Dans le mode de réalisation de la figure 6, les éléments pour obtenir ce premier signal sont similaires à ceux d'un circuit classique illustré à la figure 3 en ce que les circuits 40 comportent un circuit de sommation 42 qui est prévu pour recevoir les signaux délivrés par les éléments de transducteur To à T 3 amplifiés de manière appropriée par des amplificateurs respectifs Ao à A 3 Le signal de sortie du circuit de sommation 42 est élevé au carré dans un circuit d'élévation au carré 44, dont le signal de sortie est: (SO + SI + 52 + 53)2 L'appareil comporte de plus des seconds circuits 50 comprenant des circuits d'élévation au carré 52 à 55 pour élever au carré respectivement chacun des signaux de sortie des éléments de transducteur Les signaux élevés au carré sont sommés dans un circuit de sommation 56, dont le signal de sortie est: 502 + 512 + 522 + 532 ( 12) Ce signal est appliqué à un amplificateur d'échelle 58, qui peut être un amplificateur opérationnel classique, comportant un facteur d'échelle réglable k pour obtenir un signal de sortie égal à: k(S( 2 + 512 + 522 + 532) ( 13) Ce dernier signal est soustrait du signal fourni par le circuit d'élévation au carré 44 dans un circuit de sommation 60 et le signal résultant est appliqué à un filtre passe-bas 62, dont la sortie est le signal de rayonnement détecté. Le signal de sortie du circuit d'élévation au carré 44 est le carré de la somme des signaux qui, développés en série de manière mathématique, est équivalente à: l 2 (SO 51 + SO 52 + SO 53 + S 152 + S 53 + 5253)l + lSo 2 + 512 + 522 + 532 l ( 14) Le premier terme entre crochets dans l'expression ( 14) est indicatif des produits vectoriels des signaux d'élément de transducteur tandis que le second terme entre crochets est la somme des carrés des signaux des éléments de transducteur tels que délivrés à la sortie du circuit de sommation 56 Si le facteur d'échelle k est choisi pour être égal à 1, le circuit de sommation effectue l'opération de soustraire l'expression ( 12) de l'expression ( 14) avec comme résultat l'élimination de tous les lobes latéraux positifs comme indiqué par le diagramme directionnel de rayonnement de la figure 7 dans lequel le premier lobe latéral 35 touche juste l'axe horizontal Bien que les lobes latéraux positifs aient été totalement éliminés, on peut voir que l'amplitude du lobe principal 34 a été diminuée d'une valeur équivalente à l'amplitude du premier lobe latéral 35 Par l'application de la correction d'amplitude, telle que par la sélection d'un gain prédéterminé par les amplificateurs Ao à A 3, les lobes latéraux de la figure 7 peuvent être considérablement réduits, comme illustré par le diagramme directionnel de rayonnement de la figure 8. A l'autre extrême, si le facteur d'échelle k est égal à 0, rien n'est soustrait de l'expression ( 14) et un diagramme directionnel de rayonnement classique semblable à celui de la figure 4 est obtenu ou, si la correction d'amplitude est utilisée, le diagramme directionnel de rayonnement corrigé classique, comme tel qu'illustré à la figure 5 est obtenu En réglant le facteur d'échelle k, une valeur proportionnée plus petite de la somme du signal au carré est soustraite et ceci a pour effet de décaler vers le haut le diagramme directionnel de rayonnement de façon à rendre le lobe principal 34 plus positif Avec une sélection correcte de k, le diagramme directionnel de rayonnement corrigé de la figure 8 peut être décalé vers le haut de sorte que le premier lobe latéral 35 ' touche juste l'axe horizontal comme illustré à la figure 9, minimisant de ce fait la dégradation dans le lobe principal tout en éliminant encore les alarmes fausses des lobes latéraux du fait que les lobes latéraux sont négatifs. Les circuits de la figure 6 illustrent le traitement mathématique des signaux pour l'élimination des lobes latéraux positifs D'autres agencements pour réaliser les mêmes fonctions sont possibles et un tel autre agencement est illustré à l'aide de la figure 10. Dans le mode de réalisation de la figure 10, les premiers circuits 70 comportent une pluralité de multiplicateurs 71 à 76 pour obtenir des produits vectoriels prédéterminés des signaux de sortie des éléments de transducteur Les produits vectoriels sont sommés dans un circuit de sommation 78 et multipliés par un facteur 2 dans un circuit multiplicateur 79 pour obtenir un signal équivalent au premier terme entre crochets de l'expression ( 14). Les seconds circuits 80 comportent une pluralité de circuits d'élévation au carré 82 à 85, chacun pour élever au carré un signal respectif des signaux de sortie des éléments de transducteur, les signaux élevés au carré étant sommés dans un circuit de sommation 86, dont la sortie est la somme des carrés comme indiqué dans l'expression ( 12) Un amplificateur opérationnel 88 délivre le facteur d'échelle réglable k de sorte que son signal de sortie est équivalent à l'expression ( 13) Les deux entrées vers le circuit de sommation 86 sont par suite les deux termes entre crochets de l'expression ( 14) qui, dans le mode de réalisation de la figure 10 sont ajoutés l'un à l'autre et appliqués au filtre passe-bas 90 pour élimination de tout terme à fréquence double. Le fonctionnement de l'agencement de la figure 10 est similaire à celui de l'agencement de la figure 6; toutefois, afin d'éliminer complètement les lobes latéraux positifs, le facteur d'échelle k est de O par opposition à 1 dans le mode de réalisation de la figure 6 L'augmentation de la valeur de k a pour effet le décalage du diagramme directionnel de rayonnement vers le haut de sorte que le lobe principal devient plus positif tout en maintenant toujours les lobes latéraux corrigés dans la région négative, comme illustré par le diagramme directionnel de la figure 9. Selon l'invention, il a été proposé un appareil qui, par une nouvelle technique de détection quadratique, évite les détections non souhaitées de cibles par les lobes latéraux du système sonar La dégradation du lobe principal est minimalisée eu égard au fait qu'une partie relativement faible de l'énergie dans les lobes latéraux est soustraite du lobe principal Deux modes de réalisation représentatifs pour effectuer les opérations mathématiques ont été illustrés à titre d'exemples et, à des fins de commodité, seulement quatre éléments de transducteur dans un réseau en ligne sont utilisés On comprendra qu'un nombre beaucoup grand d'éléments peuvent être utilisés dans un réseau en ligne droite ou courbe, soit totalement occupé, soit dans un réseau à redondance minimale dans lequel certains éléments de transducteur redondants peuvent être supprimés tout en conservant toujours le diagramme directionnel et les caractéristiques de gain du réseau complet Les signaux des éléments de transducteur présentés dans les expressions ( 11) à ( 14) auront en général des facteurs de correction d'amplitude associés à ceux-ci; toutefois, à des fins de facilité de compréhension, ces facteurs de correction n'ont pas été illustrés. REVENDICATIONS 1 Appareil pour la détection quadratique de signaux (So à Sn) fournis par des éléments (To à Tn) d'un réseau en réponse à l'impact de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend: a) des premiers circuits ( 40, 70) pour traiter lesdits signaux desdits éléments afin d'obtenir un premier signal l(SO + 51 + 52 + 53)2 l ou l 2 (So SI + 5052 + SO 53 + Si 52 + Si 53 + 5253)l; b) des seconds circuits ( 50, 80) comportant un circuit d'échelle ajustable ( 58,-88) et un circuit pour élever au carré chaque dit signal desdits éléments ( 52 à 55; 81 à 85) afin d'obtenir un second signal lk(SO 02 + 512 + 522 + 532)l qui est une sommation pondérée desdits signaux au carré, o le facteur d'échelle est k; c) un circuit sommateur ( 60; 86) pour combiner lesdits premier et second signaux et obtenir un troisième signal, et d) un filtre passe-bas ( 62; 90) auquel est appliqué ledit troisième signal pour éliminer les termes à fréquence double. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit facteur k est variable et est compris entre 0 énergie acoustique. 4 Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit filtre passe-bas ( 62; 90) est monté de manière à recevoir ledit troisième signal. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits premiers circuits ( 40) comportent: a) un circuit ( 42) pour sommer les signaux desdits éléments (TO à Tn) et b) un circuit ( 44) pour élever au carré lesdits signaux sommés pour obtenir ledit premier signal l( 50 + 51 + 52 + 53)2 l 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit second signal lk(SO 02 + 512 + 522 + 532)l est soustrait dudit premier -signal l(SO + 51 + 52 + 53)2 l 7 Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits premiers circuits ( 70) comportent: a) un circuit ( 71 à 76) pour obtenir des produits vectoriels prédéterminés des signaux (SO à Sn) desdits éléments (TO à Tn); b) un circuit ( 78) pour sommer lesdits produits vectoriels, et c) un circuit ( 79) pour multiplier lesdits produits vectoriels sommés par un facteur deux afin d'obtenir ledit premier signal l 2 (So 51 + SO 52 + SO 53 + 5152 + 5153 + 5253)l 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit second signal lk(SO 02 + 512 + 522 + 532)l est ajouté audit premier signal l 2 (So 51 + 5052 + SO 53 + 5152 + 5153 + 5253)l 9 Appareil selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que l'appareil comporte, en outre, un circuit (A O à A 3) pour corriger les signaux (SO à 53) desdits éléments (TO à T 3) afin de diminuer la réponse des lobes latéraux. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits signaux (SO à 53) desdits éléments (TO à T 3) sont corrigés en amplitude.