Brevet FR2677132A1 — publié le 19921204

PROCEDE DE FORMATION D'UNE PLURALITE DE VOIES DE SONAR ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE. La présente invention se rapporte à la formation de voies dans un sonar par traitement numérique des signaux générés par des hydrophones. Les hydrophones sont des capteurs acoustiques destinés à fonctionner dans l'eau et chaque hydrophone de l'antenne fournit un signal qui est fonction des ondes incidentes provenant du milieu dans lequel ladite antenne est immergée. Il est connu de former des voies pour trouver la direction d'une onde incidente, chacune des voies correspondant à une direction déterminée. Avec des hydrophones régulièrement espacés d'une distance d et disposés selon une ligne formant un angle fl avec le plan d'onde, une voie dans la direction donnée est obtenue en déphasant les signaux générés par les hydrophones. Ce déphasage est réalisé en retardant le signal de chacun des hydrophones d'un retard ri = d/c.sin fl où c est la vitesse du son dans l'eau. Généralement, la sommation de ces signaux s'effectue après une pondération par un coefficient multiplicateur afin d'abaisser les lobes secondaires du diagramme de directivité résultant. Selon un procédé connu dans l'art antérieur, les signaux générés par les hydrophones sont échantillonnés à des instants fixes multiples de la période d'échantillonnage Te. Le retard ne correspond pas forcément à un multiple de la période d'échantillonnage, et il est donc nécessaire de calculer la valeur du signal généré par l'hydrophone à un instant To + ri. Cette valeur est déterminée par un calcul d'interpolation à partir des signaux échantillonnés connus aux instants k.Te. Dans les dispositifs selon l'art antérieur, on procède dans un premier temps à l'interpolation de tous les échantillons pour déterminer tous les échantillons avec les différents retards, puis, dans un deuxième temps, on calcule chacune des voies à partir des échantillons retardés avec le retard correspondant à la voie considérée. Les étapes du calcul des voies sont donc les suivantes: 1 - Phase d'interpolations des signaux d'hydrophones Hi 1.1- Calcul des échantillons du premier hydrophone avec les différents retards requis pour le calcul des voies - calcul des échantillons de l'hydrophone H1 avec le retard fin ri et rangement en mémoire - calcul des échantillons de l'hydrophone H1 avec le retard fin r2 et rangement en mémoire et ainsi de suite pour chacun des retards ri . 1.2 - Calcul des échantillons du second hydrophone avec les différents retards requis pour le calcul des voies - calcul des échantillons de l'hydrophone H2 avec le retard fin ri et rangement en mémoire - calcul des échantillons de l'hydrophone H2 avec le retard fin r2 et rangement en mémoire et ainsi de suite pour chacun des retards ri~ 1.3 à l.n idem pour chacun des hydrophones Hn 2 - Phase de formation des voies. 2.1 Formation de la voie 1 - appel des échantillons correspondant au premier hydrophone H1 avec le retard fin - sommation sur la première voie avec le retard grossier correspondant à un multiple de la fréquence d'échantillonnage et pondéré par le coefficient adéquats. 2.2 Formation de la voie 2 - appel des échantillons corres-pondant au deuxième hydrophone H1 avec le retard fin -sommation sur la deuxième voie avec le retard grossier correspondant à un multiple de la fréquence d'échantillonnage et pondéré par le coefficient adéquat. 2.3 à 2.v idem pour chacune des autres voies. Cette méthode permet certes de constituer chacune des voies de façon satisfaisante, mais elle présente l'inconvénient de nécessiter une mémoire importante en raison du grand nombre d'échantillons à mémoriser. On a également proposé dans l'art antérieur de procéder à une interpolation à la demande qui consiste à ne calculer que les échantillons interpolés dont on a besoin. Dans cette méthode, les phases de formation de voie et d'interpolation sont alternées. Selon cette solution, on procède à la formation complète d'une voie avant de passer à la voie suivante. Pour chacune des voies, on connait le retard fin qu'il faut calculer pour l'hydrophone en cours. Après le calcul d'interpolation pour un hydrophone, on procède à la sommation sur la voie en cours de détermination avant de procéder au calcul d'interpolation pour l'hydrophone suivant. Ce procédé évite certes de mémoriser la totalité des échantillons interpolés. Toutefois, comme il est fréquent que plusieurs voies recourent au même retard, de nombreux calculs d'interpolation sont redondants, ce qui augmente le temps de traitement. L'objet de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de formation de voies permettant un traitement accéléré et nécessitant une mémoire moindre que pour la mise en oeuvre des procédés selon l'art antérieur. A cet effet, l'invention consiste plus particulièrement à sommer pour chacune des voies les signaux échantillonnés délivrés par chacun des hydrophones Hi à un instant To + rij, rij désignant le retard applicable à lthydrophone Hi pour la formation de la voie Vj , la valeur dudit signal échantillonné à l'instant To + rij étant obtenue par interpolation à partir des échantillons connus du signal de l'hydrophone Hi considéré et à procéder, après chaque calcul d'un échantillon par interpolation du signal délivré par un hydrophone Hi pour un retard Ri = rij, à la sommation dudit échantillon sur chacune des voies Vj concernées par ledit retard Ri avant de calculer l'échantillon suivant. Le procédé selon l'invention consiste donc à former progressivement les voies en sommant après chaque interpolation le résultat sur celles des voies qui font appel au retard correspondant au calcul d'interpolation qui vient d'être effectué. Selon un mode de réalisation particulier, on procède pour l'hydrophones H1 à l'interpolation du signal avec un premier retard R1, à la sommation du résultat sur chacune des voies Vi concernées avec le coefficient de pondération adéquat et avec le retard grossier correspondant, ledit retard grossier correspondant à un multiple de la période de suréchantillonnage. On réitère ensuite cette opération pour chacun des autres retards Ri , puis que l'on réitère ces opérations pour chacun des hydrophones Hi jusqu'à la formation complète de chacune des voies. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, comportant: - une première unité de calcul reliée à des mémoires de stockage des résultats d'interpolation, - une seconde unité de calcul commandée par un programme de commande du séquencement des transferts et des adresses des opérandes et des résultats - un circuit d'interface distribuant les données dans les ressources du premier calculateur et assurant le transcodage des adresses, - ainsi qu'une interface entrées/sorties. Avantageusement, le premier calculateur est relié à une première mémoire vive contenant les coefficients définissant les retards fins et une deuxième mémoire vive contenant les échantillons à interpoler. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins annexés où - la figure 1 représente le synoptique du dispositif de formation des voies selon l'invention ; - la figure 2 représente le diagramme des données pendant la phase d'interpolation - la figure 3 représente le diagramme des données pendant la phase de formation des voies. Le dispositif de traitement préféré des données pour la formation de voies tel que représenté sur la figure 1 comporte: - un premier bloc (1) comportant un calculateur constituant la partie opérative où s'effectuent les calculs dans des ensembles multiplicateurs flottants (2), (3) et additionneur flottant (4), (5) en parallèle ainsi que des mémoires (6 à 9). La mémoire RAM (6) contient les opérandes, c'està-dire les échantillons à interpoler. La mémoire vive (7) contient les coefficients définissant les retards ri, c'est-à-dire le reste de la division du retard par la période d'échantillonnage. Les mémoires vives (8) et (9) contiennent les résultats d'interpolation qui seront relus lors de la phase de formation des voies. - un second bloc (10) constitué par une machine microprogrammée gérant par les bus les signaux de commandes du séquencement des transferts et la génération des adresses des opérandes et des résultats. - un troisième bloc (11) constituant une interface avec les mémoires vives externes et distribuant les données dans les ressources du premier bloc (1), et assurant par ailleurs le transcodage des adresses. - une interface (12) d'entrée et de sortie. Dans l'exemple décrit, le premier bloc (1) comporte deux ensembles constitués chacun d'un multiplicateur flottant respectivement (2) et (3), d'un additionneur respectivement (4) et (5) et par les deux mémoires vives de stockage du résultats de l'interpolation respectivement (8) et (9). Les deux ensembles travaillent en parallèle. Pour expliquer le fonctionnement du dispositif selon l'invention, les figures 2 et 3 représentent le diagramme des signaux respectivement dans la phase d'interpolation et dans la phase de formation des voies. Dans la phase d'interpolation représentée en figure 2, l'additionneur est rebouclé sur son entrée pour faire accumulation. Dans la phase de formation des voies, la mémoire vive externe (13) fournit les échantillons de voies consommatrices du retard considéré par la phase d'interpolation en cours. Le retard grossier, multiple de la période d'échantillonnage, est fourni directement par l'adresse de lecture dans la mémoire vive externe (13). Le séquencement des opérations est assuré par la machine microprogrammée (10) qui envoie les adresses et les commandes d'une part au bloc (1) "partie opérative" et d'autre part à la mémoire vive externe (13). Une mémoire (14) contient les coefficients de pondération destinés à compenser les effets du lobe de réception. La mémoire vive externe (13) est divisée en cinq zones (15) à (19) gérées par des pointeurs. La première zone (15) "paramètres d'application" contient les variables nécessaires à l'exécution de l'application. La seconde zone (16) "loi de formation" contient la structure des données décrivant l'application. Les informations qu'elle contient sont lues pendant la phase de déroulement de l'application. Elles déterminent l'ordre de priorité des tâches pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La troisième zone (17) contient les coefficients nécessaires au calcul d'interpolation. La quatrième zone (18) contient les échantillons du signal délivré par les hydrophones. La dernière zone (19) contient les échantillons des voies en cours de formation. Lors de la phase d'interpolation, les accès à la mémoire vive (13) se font dans les zones "données hydrophones" (18) et "coefficients't (17). tandis que dans la phase de formation des voies, les accès se font dans la zone (19) contenant les échantillons des voies en cours de formation. La loi de formation peut s'exprimer comme suit: pour lthydrophone H1: - interpolation des signaux de l'hydrophone H1 avec le retard fin ri - sommation du résultat sur la voie Vi avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - sommation du résultat sur la voie Vj avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. .pour l'hydrophone Hn: - interpolation des signaux de l'hydrophone H1 avec le retard ri - sommation du résultat sur la voie Vjl avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - sommation du résultat sur la voie Vjl avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - interpolation des signaux de l'hydrophone Hn avec le retard ri - sommation du résultat sur la voie Vi avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - sommation du résultat sur la voie Vj avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - interpolation des signaux de l'hydrophone Hn avec le retard ri - sommation du résultat sur la voie Vit avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. - sommation du résultat sur la voie Vj, avec le retard grossier et le coefficient de pondération adéquat. Lors de la formation des voies, on cherche à compenser les mouvements de l'antenne et à suivre une source mouvante. La formation des voies stabilisées suppose que l'on change "au vol" les directions d'observation et donc la loi de formation. Ce changement de loi doit s'effectuer d'une manière qui minimise les transitoires sur les voies formées: en effet, en toute rigueur, il faudrait lors du changement de loi attendre que tout le front d'onde incident ait balayé toute l'antenne regardant dans la nouvelle direction avant de reprendre le calcul. Dans le dispositif selon l'invention, on utilise les échantillons d'avant la date du changement pour constituer la voie pendant cette période transitoire. Pendant cette durée, le calcul sera faussé, mais on aura le nombre correct d'échantillons d'hydrophones sommés sur chaque point de voie calculé. Dans le dispositif selon l'invention, les calculs sont vectorisés, c'est-à-dire que les données relatives aux hydrophones sont envoyées vers la partie opérative sous forme de tableaux de 2n échantillons. On choisit par exemple n = 7, soit 128 échantillons. Chaque loi de formation s'applique donc à un vecteur de 128 échantillons pour tous les hydrophones qu'il faut impérativement finir de traiter pour avoir l'assurance que les voies sont complètement formées. Ces 128 échantillons sont pris dans la mémoire (8) contenant les signaux d'hydrophones interpolés.Pour le changement dynamique des lois de formation, comme les instants de changement ne se trouvent que rarement en coïncidence avec le début ou la fin d'un vecteur, il est indispensable que la loi de formation contienne les informations relatives au début du segment utilisé et à la fin du segment de vecteur utilisé: ce sont les adresses transmises à la mémoire vive (8) relatives aux signaux d'hydrophones interpolés. La figure 4 représente sur une échelle temporelle les instants de prise d'échantillons d'hydrophones et les instant de sommation sur une voie qui subit un changement de loi de fonction. Ainsi, le vecteur P - 1, est formé avec la loi L1, le paquet P avec la loi de transition L1/L2 et le paquet P + 1 avec la loi L2. Il peut y avoir plusieurs lois de transitions si le nouveau retard est supérieur à 128. La vectorisation des calculs permet d'adopter une organisation des calculs en pipe-line et augmente le débit de calcul. De plus, cela permet une organisation des zones hydrophones (18) et données voies (19) dans la mémoire vive externe (13) en bancs parallèles permettant une bande passante -soit un nombre de mots par seconde par accès élevée. Avec une seule adresse, on lit et on adresse simultanément plusieurs valeurs. Cette vectorisation permet aux calculs d'être menés sur des échantillons temporels successifs qu'ils concernent les hydrophones ou les voies, par incrémentation successive des adresses. Par ailleurs, le fait que les échantillons d'hydrophones interpolés soient consommés immédiatement pour former les voies autorise une taille de mémoire vive interne limitée à la taille du vecteur, soit 128 x n bits de l'échantillon pour l'exemple décrit. La loi de formation pour l'ensemble des vecteurs des 128 échantillons interpolés met en oeuvre les étapes suivantes représentées en figure 5. La présente invention n'est bien sur pas limitée à ltexemple décrit, mais s'étend à toutes les variantes de réalisation. REVENDICATIONS 1 - Procédé de formation d'une pluralité de voies Vj du type consistant à sommer pour chacune des voies les signaux échantillonnés délivrés par chacun des hydrophones Hi à un instant To + rij, rij désignant le retard applicable à l'hydrophone Hi pour la formation de la voie Vj, la valeur dudit signal échantillonné à l'instant To + rij étant obtenue par interpolation à partir des échantillons connus du signal de l'hydrophone Hi considéré, ledit procédé étant caractérisé en ce que, après chaque calcul d'un échantillon par interpolation du signal délivré par un hydrophone Hi pour un retard Ri = rij, on procède à la sommation dudit échantillon sur chacune des voies Vj concernées par ledit retard Ri avant de calculer l'échantillon suivant. 2 - Procédé de formation d'une pluralité de voies selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on procède pour l'hydrophones H1 à l'interpolation du signal avec un premier retard R1, à la sommation du résultat sur chacune des voies Vi concernées avec le coefficient de pondération adéquat et avec le retard grossier correspondant, ledit retard grossier correspondant à un multiple de la période de suréchantillonnage et que l'on réitère cette opération pour chacun des autres retards Ri , puis que l'on réitère ces opérations pour chacun des hydrophones Hi jusqu'à la formation complète de chacune des voies. 3 - Procédé de formation d'une pluralité de voies selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les données générées par les hydrophones sont échantillonnées sous forme de tableaux de 2n échantillons, les calculs étant effectués sous forme vectorielle. 4 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte: - une première unité de calcul (1) reliée à des mémoires de stockage des résultats d'interpolation, - une seconde unité de calcul (10) commandée par un programme de commande du séquencement des transferts et des adresses des opérandes et des résultats, - un circuit d'interface (11) distribuant les données dans les ressources du premier calculateur et assurant le transcodage des adresses, - ainsi qu'une interface entrées/sorties (12) 5 - Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier calculateur (1) est relié à une mémoire vive externe (13) contenant les coefficients définissant les retards fins comprend une au moins mémoire vive interne (8, 9) contenant les échantillons interpolés. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que ledit premier calculateur (1) comporte au moins un ensemble constitué par un multiplicateur flottant (2), par un additionneur flottant (4) et par une mémoire vive interne (8) destinée au stockage des résultats de l'interpolation. 7 - Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit premier calculateur (1) comporte deux ensembles identiques travaillant en parallèle. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que la mémoire externe (13) comporte cinq zones (15 à 19) contenant respectivement les paramètres d'application, les commandes relatives, la seconde zone (16) contenant la structure des données décrivant l'application, la troisième zone (17) contenant les coefficients nécessaires au calcul d'interpolation, la quatrième zone (18) contenant les échantillons du signal délivré par les hydrophones et la dernière zone (19) contient les échantillons des voies en cours de formation.