Brevet FR2679041A1 — publié le 19930115

Système de détection d'objets sous-marins L'invention se rapporte au domaine de la détection sous-marine et a plus particulièrement pour objet un système de détection d'objets posés au fond. Classiquement, la détection d'objets sous-marins en eau peu profonde et notamment des objets posés sur le fond de la mer, est effectuée par des moyens sonar dits "monostatiques". Le système sonar émission et réception est monté sous l'étrave d'un bâtiment de surface spécialisé, chasseur de mines, ou bien il est monté sur un véhicule remorqué appelé "poisson". En général la vision est frontale dans le premier cas et latérale dans le deuxième cas. L'émission sonar est sectorielle et constituée d'une impulsion à fréquence pure ou modulée. La réception est directive grâce à une formation de voies permettant d'atteindre la résolution spatiale souhaitée. De nombreux articles ou brevets décrivent ces systèmes. On citera parmi eux les brevets US 3 950 723 et US 4 199 746 pour les sonars latéraux avec focalisation à la réception. Pour une application de ce type de système à la détection de mines, deux objectifs sont essentiels - la sécurité du bâtiment chasseur de mines, - la portée qui doit être la plus grande possible. Dans le cas des sonars montés sur le chausseur, un des moyens pour garantir au mieux la sécurité est de détecter à l'avant du bâtiment chasseur, à une distance qui soit suffisante. De plus, on cherche la portée la plus grande possible mais cette portée se trouve toujours limitée par les pertes de propagation liées aux trajets aller et retour des ondes. Dans le cas des sonars montés sur poisson remorqué, le système de détection se trouve à l'arrière du chasseur, et la sécurité du chasseur ne peut être obtenue qu'avec des dispositifs de contrôle complexes. On connaît par ailleurs des sonars de type "bistatique". L'ouvrage de Y. T. Chan, Underwater Acoustic Data Processing, NAJO ASI Series JuiUet 1988, vol. 161, pages 3-24, décrit le principe et le fonctionnement d'un tel sonar, c'est-à-dire d'un sonar dans lequel les moyens d'émission et les moyens de réception ne sont pas localisés au même endroit. Le brevet US 4 654 835 en décrit une réalisation particulière où, pour augmenter la hauteur d'eau maximale d'utilisation du sonar, émetteur est rapproché du fond, les altitudes des deux antennes sont notablement différentes mais leurs coordonnées dans un plan horizontal sont voisines. Le sonar peut alors être qualifié de "bistatique vertical". L'invention a pour objet un système de détection d'objets sous-marins > par exemple de mines posées sur le fond, mettant en oeuvre une structure bistatique particulière utilisant pour l'émission un véhicule indépendant du bâtiment principal, portant une antenne de préférence situé en avant par rapport à l'axe de marche du bâtiment principale ce dernier portant l'autre antenne les dispositifs d'émission et de réception étant optimisés pour que la portée soit augmentée à puissance émise égale > par rapport à celle obtenue au moyen d'un système classique, et que la résolution obtenue soit celle désirée. Selon l'invention > un système de détection d'objets sous-marins utilisant des moyens d'émission et de réception sonar portés par un bâtiment naval pour un fonctionnement en mode monostatique formant des voies directives à la réception, est caractérisé en ce que, pour un fonctionnement en mode bis tactique, le système comporte en outre des moyens d'émission sonar portés par un véhicule sous-marin non habité autonome se déplaçant en avant du bâtiment naval dit principal et plus proche du fond que celui-ci, ces moyens d'émission portés par le véhicule autonome formant des voies directives pour obtenir la résolution spatiale souhaitée, en ce que ces voles directives sont codées et en ce que les moyens de réception sonar portés par le bâtiment principal sont également destinés à la réception pour un fonctionnement en mode bistatique, et sont complétés par des moyens de séparation des différents codes émis reçus dans une même voie de réception. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées - La figure 1 illustre le système de détection d'objets sous-marins selon l'invention; - La figure 2 est un schéma synoptique des circuits électroniques de la partie émission du système - La figure 3 illustre le diagramme d'émission du système - La figure 4 est un schéma explicatif du décodage; - La figure 5 est un schéma synoptique des circuits électroniques de la partie réception du système - La figure 6 illustre un exemple de configuration du système selon l'invention. L'évolution de la technique est telle que des véhicules sous-marins non habités peuvent être dotés d'une autonomie croissante. Ces véhicules, désignés sous le nom de R. O . V., selon l'abréviation anglo-saxonne de "Remote Operating Vehicle", sont conçus pour être programmés en vue d'une mission particulière. Ils peuvent être soit totalement autonomes et communiquer avec le bâtiment de surface par liaison acoustique (ou optique à faible distance), soit reliés au bâtiment de surface par un fil (ou une fibre optique) non porteur par lequel transitent les signaux. Comme Indiqué succinctement ci-dessus, l'invention met à profit l'utilisation de véhicules sous-marins non habités (R. O. V.) pour la réalisation d'un système de détection d'objets sous-marins dont la portée est très sensiblement améliorée par rapport aux systèmes antérieurs, en même temps que la résolution spatiale est conservée. Un premier mode de réalisation du système de détection d'objets sous-marins est représenté sur la figure 1. C'est un système de détection mettant en oeuvre un sonar bistatique et combinant - un véhicule sous-marin non habité (ROV), 1, - un dispositif d'émission multivoles directives 10, avec codage, monté sur le véhicule "ROV", 1, - un dispositif 20 de réception multivoies des ondes émises, avec séparation des codes sur chaque voie, monté sur un bâtiment naval 2. Dans un mode de réalisation préféré, le bâtiment naval portant le dispositif de réception est un bateau de surface, comme illustré par la figure 1. Avantageusement, le bâtiment naval comporte en outre un émetteur classique 25 de manière à conserver les deux modes de fonctionnement, monostatique (émission et réception par le bâtiment naval) et bistatique (émission et réception spatialement décalées) et l'antenne de réception est la même pour les deux modes, il y a seulement un traitement aval supplémentaire pour séparer les codes. Sur la figure 1, le dispositif d'émission comporte une antenne d'émission il formée de plusieurs transducteurs acoustiques et des circuits électroniques 12 qui effectuent la formation des voies et le codage comme décrit ci-après. Le dispositif de réception 20 sur le bateau de surface, comporte une antenne de réception 21 formée de plusieurs hydrophones et des circuits électroniques 22 qui effectuent la formation des voies et la séparation des codes, comme décrit ci-après. Le système de détection selon l'invention met donc en oeuvre un système sonar que l'on peut qualifier de "bistatique horizontal", c'est-à-dire un système dans lequel les antennes d'émission et de réception sont décalées l'une par rapport à l'autre non seulement en vertical, selon l'axe Z, mais également selon l'axe de marche du bâtiment Y, le ROV étant à l'avant du bateau, par rapport au sens de marche, et même éventuellement décalé latéralement selon X. Ainsi la sécurité du bâtiment est préservée. De plus, le système selon l'invention permet d'obtenir une portée plus grande que celle obtenue par les systèmes classiques, c'est-à-dire en se reportant à la figure 1, une distance oblique D bateau-objet détecté plus grande que celle obtenue avec un sonar monostatique, la résolution spatiale étant conservée. Si par exemple on veut doubler la distance D en mode bistatique par rapport au mode monostatique, en utilisant les mêmes voies de réception, il faut que la résolution spatiale A 1 d'une voie d'émission du véhicule ROV 1 soit la même que la résolution en mode monostatique à la distance D/2.Au niveau de l'objet la résolution d'une vole de réception du bateau est alors double de celle d'une voie d'émission du ROV 1 : pour obtenir la résolution souhaitée, il faut alors pouvoir retrouver les 2 faisceaux émis, donc avoir un "code" différent sur deux pinceaux adjacents des voies d'émission et séparer ces deux codes à la réception. Si l'on souhaite tripler la portée, il faut alors 3 codes différents sur 3 pinceaux adjacents des voles d'émission. Le dispositif d'émission 10 d'une part et et le dispositif de réception 20 d'autre part sont prévus pour obtenir ce résultat. Pour cela l'antenne d'émission 11 est suivant un mode de réalisation préféré constituée d'une antenne interférométrique formée de transducteurs T1,..., TN distants de plusieurs longueurs d'onde à la fréquence de travail. Le diagramme de rayonnement comporte plusieurs lobes principaux distants de (k-1) A /L, si L est la distance séparant les deux transducteurs extrêmes, k étant le nombre de transducteurs de l'antenne. La largeur de lobe obtenue avec une telle antenne est plus faible que celle du lobe obtenue avec une antenne classique de longueur L. Afin de lever l'ambiguïté au niveau de la réception des codes et d'effectuer un recalage des voles émission et réception, on choisit d'émettre, pour une portée double, suivant trois codes C1, C2, C3. Suivant un mode de réalisation préféré les codes C1, C2 > C3 sont des fréquences f1 > fl, f3. L'antenne d'émission est donc constituée de 4 transducteurs distants de L/3 dont les diagrammes de directivité sont globalement décalés par déphasage de manière connue, pour couvrir tout le secteur d'émission. Les émissions aux fréquences f1, f2, f3 peuvent être simultanées ou successives si l'on veut mieux profiter de la puissance crête autorisée par les transducteurs. La bande est l'inverse de la durée d'impulsion T, elle-même donnée par la résolution souhaitée en distance cT/2, où c est la vitesse des ondes acoustiques dans l'eau. Pour les résolutions spatiales souhaitées (égales environ à la taille des objets à détecter), la bande relative est de l'ordre de 0,58, et les diagrammes de directivité sont affectés de façon négligeable. Suivant une variante de réalisation non représentée, le dispositif d'émission est constitué d'une antenne classique, c'est-à-dire comportant des transducteurs espacés au plus de , par exemple n /2. Les signaux sont traités de manière connue par déphasages ou par transformée de Fourier rapide (FFT) pour former les voies. L'antenne est alors plus longue et comporte notablement plus de transducteurs. Le schéma synoptique général de l'ensemble des circuits électroniques d'émission 12 utilisable aussi bien pour le mode de réalisation préféré que pour la variante, est représenté sur la figure 2. Les signaux de sortie des amplificateurs de puissance AP1 ... APN attaquent les transducteurs T1, .... TN de l'antenne (N=4 dans le mode de la réalisation préférée). Un ensemble d'oscillateurs locaux 120 fournit les signaux à émettre à des fréquences fl, 2 f n (n = 3 dans le mode de réalisation préféré). Cet ensemble d'oscillateurs est relié à un circuit de formation de voles 121 qui comporte des déphaseurs. Ce circuit 121 est commandé par un processeur 122 recevant les paramètres de lacet, roulis et tangage issus d'un circuit de mesure 123 pour effectuer en outre une stabilisation électronique des voies (de manière connue en soi). L'émission est donc formée d'un certain nombre de faisceaux fins adjacents insoniflant ltespace vers le fond de la mer dans un secteur gisement SE représenté sur la figure 3. Chaque faisceau est particularisé par son code, c'est-à-dire par la fréquence : l'émission est dite "colorée" en fréquence. L'antenne de réception 21 portée par le bâtiment naval est classique : elIe est formée d'hydrophones régulièrement espacés et sa longueur est déterminée pour obtenir la résolution spatiale souhaitée. Le dispositif électronique de réception 22 est représenté sur la figure 4, avec l'antenne de réception 21, et comprend un circuit 220 de formation de voies, principalement constitué de déphaseurs et destiné à recevoir les signaux issus de l'émetteur porté par le véhicule 1 après réflexion sur le fond, suivant l'éventail de pinceaux directifs décrit ci-dessus et représenté sur la figure 3. Le secteur angulaire de réception SR correspond au moins égal au secteur insonifié sur le fond par l'émetteur. A la sortie de chaque voie de réception, le dispositif comporte des "décodeurs" : deux décodeurs 221, 222 lorsque l'émission est faite selon trois codes C1, C2, C3 qui, dans le cas où les codes sont des fréquences, sont des filtres passe-bande centrés sur les fréquences émises. Pour retrouver les codes émis sans ambiguïté, on procède par exemple à un tri sur un critère énergétique. Sur la figure 5, on a représenté schématiquement les "cases" qui sont délimitées par les voies de réception et les "cases", deux fois plus petites, qui sont délimitées par les voies d'émission en indiquant les trois codes C1, C2 > C3 et en référençant 1, 2, 3, 4 ... les cases de réception. Ainsi, dans la case de réception 1, seuls les codes C1, C2 doivent apparaître. Dans la case 2, C3, Ci doivent apparaître et dans la case 3 C2, C3 doivent apparaître. Cela se répète pour les cases suivantes. La mise en oeuvre est faite en additionnant les signaux de voies qui correspondent à un même code présent dans des additionneurs tels que 225 et en testant par seuillage dans des circuits à seuil tels que 226 si le signal dépasse une valeur préétablie. Un recalage des voies est effectué à partir des résultats des tests. La commande de recalage peut également être effectué en utilisant trois filtres par voie en effectuant une recherche sur le code absent. Suivant une variante, où à l'émission seulement deux codes sont émis, le recalage est obtenu au moyen d'une voie spécialisée, émettant à une fréquence différente des deux fréquences codes et reçue dans une ou plusieurs des voies de réception. Le recalage proprement dit est obtenu soit par rotation de l'antenne de réception 21, soit par rotation du véhicule non habité 1. Un dispositif d'asservissement à partir des signaux de commande de recalage est avantageusement mis en oeuvre. Dans le cas d'un sonar monostatique, les pertes sur un trajet aller-retour sur une distance L sont égales à - 40 log L - 2 aOL où aO est l'absorption à la fréquence considérée. Dans le cas d'un sonar bistatique, si D est la distance bateau-objet et I la distance ROV-objet, ces mêmes pertes sont - 20 log Dl - aO (D + l) Si les deux sonars sont comparables, c'est-à-dire si le récepteur est le même, et si les paramètres de l'émetteur (secteur total émis, puissance crête et longueur d'impulsion) sont identiques, alors on peut calculer le gain de portée pour le sonar bistatique, à pertes égales - 40 log L - 2 aO L + - 20 log D.l - aO (D + 1) A titre d'exemple pour L = 150 mètres et D = 300 mètres et pour une fréquence de 200 kHz, aO = t 70 dB/km, on trouve 1= 50 mètres. - La figure 6 représente un exemple de configuration bateau 2-véhicule non habité 1 de ce type pour une hauteur d'eau de 100 mètres et une distance D de 300 mètres, soit 1 = 50 m. Dans cet exemple, on cherche à obtenir une résolution spatiale de 0,75 m ordre de grandeur des objets à détecter. Compte-tenu de la portée qui est doublée, la résolution du faisceau de réception est de 1,5 mètre sur l'objet pour la distance D de 300 mètres soit une résolution angulaire de 1/200rd t 0,30 : l'antenne de réception a une longueur de 200 8. Avec cette antenne, on forme 33 voies pour couvrir une bande de terrain sur le fond de 50 mètres de large environ, soit un secteur de réception 5R de 100. I1 s'en déduit que l'antenne d'émission sur le véhicule i doit posséder une résolution spatiale égale à 1, 5/lord (Q 0,860) et 66 voies doivent être formées pour couvrir les 50 mètres, c'est-à-dire un secteur angulaire SE de 570. L'antenne d'émission a une longueur de 66 X, soit 50 cm à 200 Khz. Pour une résolution en distance identique à la résolution spatiale, la bande de fréquences est égale à 1kHz, impulsion de durée T = lms (cT/2). La porteuse ayant une fréquence de quelques centaines de kHz, par exemple 200 kHz, la bande relative est faible et les trois fréquences de code différentes peuvent être réalisées sans difficulté. Suivant une variante, l'émission est conçue pour émettre un nombre plus élevé de codes, avec une largeur angulaire des voies identique : dans ce cas le nombre de voies à la réception est diminué, la largeur de chaque voie de réception étant augmentée. Cependant la formation de voles de réception existante n'est plus utilisée. Comme Indiqué ci-dessus les principaux avantages du système selon l'invention sont - le bateau disposant d'un émetteur et récepteur sonar classiques, le fait d'utiliser un ROV équipé d'un émetteur à émission colorée en combinaison avec les moyens de réception classiques à bord du bateau dans un mode de fonctionnement particulier, permet de constituer un système dans lequel la portée distance bateau-objet détecté est augmentée et le cas échéant la résolution spatiale améliorée, en complétant seulement les moyens de réception à bord du bateau, avec un dispositif de filtrage en sortie des voies du récepteur.La portée peut ainsi être au moins doublée à résolution spatiale constante par rapport au mode de fonctionnement en sonar mono statique (émission et réception sur le bateau) - le fait que le bateau seulement récepteur reste passif, ce qui est primordial pour une application à la chasse aux mines. Dans la solution préférée, I'absence de liaison physique entre le bateau et le ROV est également un avantage en ce qui concerne la sécurité : le bateau et le ROV communiquent par exemple par voie acoustique. D'autre part, la résolution spatiale ne dépend que de la distance véhicule non habité-objet : cet avantage est en fait lié au gain de portée : plus le véhicule non habité est près de objet, plus la portée est augmentée par rapport à un système utilisant un sonar monostatique. Enfin, en présence d'un objet posé sur le fond de la mer, deux ombres portées sont obtenues suivant deux directions différentes (zone insonifiée par I'émetteur, zone non vue par le récepteur). L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés ou décrits à titre de variantes. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible que les impulsions soient modulées en fréquence de manière à effectuer un traitement cohérent (compression d'impulsion) à la réception. REVENDICATIONS 1. Système de détection d'objets sous-marins utilisant des moyens d'émission et de réception sonar (20) portés par un bâtiment naval (2) pour un fonctionnement en mode monostatique formant des voies directives à la réception, caractérisé en ce que, pour un fonctionnement en mode bistatique, le système comporte en outre des moyens d'émission sonar (10) portés par un véhicule sous-marin non habité autonome (1) se déplaçant en avant du bâtiment naval dit principal, et plus proche du fond que celui-ci, ces moyens d'émission (10) portés par le véhicule autonome formant des voies directives pour obtenir la résolution spatiale souhaitée, en ce que ces voies directives sont codées et en ce que les moyens de réception sonar (21, 22) portés par le bâtiment principal sont également destinés à la réception pour un fonctionnement en mode bistatique, et sont complétés par des moyens de séparation des différents codes émis reçus dans une même voie de réception. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la distance D entre le secteur insonifié et le bâtiment naval en mode bistatique est un multiple de la distance entre le bâtiment naval et le secteur insonifié en mode mono statique pour une même résolution spatiale en émettant à partir du véhicule autonome dans n voies d'émission adjacentes suivant n codes différents captés dans une même voie de réception, les moyens de séparation separant les n faisceaux de retour adjacents dans une même voie de réception suivant leurs codes. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance 1 zone insonifiée-véhicule autonome est obtenue en égalant les pertes de propagation de deux modes monostatique et bistatique, la résolution spatiale souhaitée étant déterminée par la longueur de l'antenne. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les codes sont des fréquences différentes. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont des filtres passe-bande (221, 222, 223). 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour l'émission codée par le véhicule autonomie, les moyens d'émission comportent au moins une antenne Interférométrique dont les transducteurs sont distants de plus d'une longueur d'onde, à la fréquence de travail formant un ensemble de lobes de largeur proche de X /L où L est la longueur de l'antenne, et en ce que des moyens de déphasage commandent les transducteurs des différentes antennes pour que leurs lobes soient intercalés et couvrent le secteur angulaire à insonifier. 7. Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de réception sonar comportent des moyens de recalage (225, 226) des voles de réception par rapport aux voies d'émission agissant sur la position de l'antenne de réception. 8. Système selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que les moyens de réception sonar comportent des moyens de recalage (225, 226) des voies d'émission par rapport aux voies de réception agissant sur l'orientation du véhicule autonome par rapport à celle du bâtiment qui le suit.