Brevet FR2685782A1 — publié le 19930702

PROCEDE DE COMPENSATION DU MOWEMENT DE L'ANTENNE POUR UN SONAR La présente invention se rapporte à un procédé qui permet de compenser dans les sonars les mouvements de l'antenne qui risquent de perturber la réception des signaux acoustiques. Plus particulièrement, elle a pour objet un procédé de compensation du mouvement de l'antenne pour un sonar dans lequel l'antenne est animée d'un mouvement de translation et comprend un ensemble de transducteurs dont on commute les signaux pour obtenir au moins une sous-antenne animée d'un mouvement fictif permettant de compenser le décalage Doppler apporté aux échos fixes par ledit mouvement de translation. Il est connu, pour détecter une cible en mouvement avec un sonar, d'utiliser l'effet Doppler en émettant une impulsion acoustique dont la bande de fréquence est plus faible que le décalage Doppler susceptible d'affecter les échos provenant de cibles en mouvement. A la réception, on corrèle les signaux reçus avec plusieurs copies des signaux émis, chaque copie correspondant à un décalage Doppler différent. Le type de corrélation obtenu avec la copie qui correspond à un décalage Doppler identique ou sensiblement identique à celui de la cible permet de localiser en distance cette cible, ainsi que de déterminer sa vitesse radiale par rapport au sonar. Ce procédé est tout à fait compatible avec les autres systèmes de traitement des signaux, en particulier ceux qui consistent à faire des voies de réception directives. Ce procédé permet d'améliorer le contraste entre l'écho utile qui est affecté d'un décalage Doppler et les autres échos provenant de la réverbération aussi bien du fond et de la surface de la mer, que du volume lui-même du milieu sous-marin dont les hétérogénéités provoquent un écho ambiant diffus qui est très gênant pour un sonar simple.En effet, les échos dus à la réverbération ne sont pas affectés d'un décalage Doppler puisque les éléments à l'origine de cette réverbération ne bougent pas, ce qui permet de les éliminer. Ceci suppose que la cible est mobile, ce qui est généralement le cas. Très souvent, le sonar est porté ou remorqué, par un bateau qui se déplace à une vitesse qui n'est pas négligeable par rapport à celle de la cible. Dans ce cas, les échos dus à la réverbération se trouvent affectés d'un décalage Doppler provenant de la vitesse propre du sonar. Comme 1 'émission couvre en général un secteur angulaire large, il y a toujours des sources de réverbération dont la vitesse radiale par rapport au sonar se trouve sensiblement égale à celle de la cible en mouvement. Dans ces conditions, le contraste écho/bruit est sensiblement limité par ces sources de réverbération, même si ces sources se trouvent en dehors du lobe principal de la voie de réception utilisée puisque, comme on le sait, il y a toujours des lobes secondaires relativement importants dans le diagramme d'une telle voie. Pour ne pas être trop gêné par un tel effet, il faudrait que la cible se déplace à une vitesse au moins supérieure à deux fois la vitesse du bâtiment qui porte le sonar. Ceci conduirait à limiter très sérieusement la vitesse du bâtiment et donc ses capacités opérationnelles. Si, en outre, la cible est une torpille qui se dirige vers le bateau, on imagine facilement les conséquences catastrophiques d'une telle réduction de vitesse sur les capacités à échapper justement à cette torpille. Pour surmonter les problèmes liés aux mouvements du sonar, il a été proposé, pour un sonar dans lequel l'antenne comprend un ensemble de transducteurs et est entraînée dans un mouvement de translation, de commuter les signaux de ces transducteurs de façon à constituer une sous-antenne animée d'un mouvement fictif permettant de compenser le décalage Doppler apporté aux échos fixes par ledit mouvement de translation. Ce procédé, bien que satisfaisant, pourrait cependant être considérablement amélioré, en particulier aux vitesses élevées du bâtiment porteur du sonar. La présente invention propose un nouveau procédé de détection de cibles sous-marines permettant de pallier les inconvénients de l'art antérieur. La présente invention a pour objet un procédé de compensation du mouvement de l'antenne pour un sonar dans lequel l'antenne est animee d'un mouvement de translation et comprend un ensemble de transducteurs dont on commute les signaux pour obtenir au moins une sous-antenne animée d'un mouvement fictif permettant de compenser le décalage Doppler apporté aux échos fixes par ledit mouvement de translation, comprenant l'application de retards sur les signaux issus de ladite ou desdites sous-antennes, de façon à constituer une pluralité de sous-antennes associées décalées les unes par rapport aux autres. Selon une forme d'exécution de ce procédé, ledit sonar émet une impulsion constituée de p impulsions jointives de durée unitaire Tp Selon une autre forme d'exécution de ce procédé, on applique sur les signaux de ladite ou desdites sous-antennes des retards égaux aux multiples de T p compris entre O et (p-l).T , de façon à constituer, à partir de chaque sous p antenne, p sous-antennes associées Selon encore une forme d'exécution de ce procédé, le nombre de sous-antennes associées constituées à partir de chaque sous-antenne est fonction de la vitesse du sonar. Selon une autre forme encore d'exécution de ce procédé, il comprend une étape de formation de voies, dites voies primaires, antérieure à l'application desdits retards. Selon une autre forme d'exécution de ce procédé, il comprend une étape de formation de voies, dites voies secondaires, après l'application desdits retards. Selon encore une autre forme d'exécution de ce procédé, ladite ou lesdites sous-antennes parcourent toute la longueur de l'antenne pendant la durée Tp Lesdites sous-antennes associées se chevauchent au moins partiellement. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple, et en référence aux dessins annexés, où: - la figure 1 montre un schéma de réception d'une cible et d'une cellule de réverbération; - la figure 2 montre un bâtiment remorquant une antenne sonar; - la figure 3 montre le mouvement au cours du temps d'une sous-antenne glissante et de ses sous-antennes associées; - la figure 4 montre un schéma synoptique d'un disposi tif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention; - la figure 5 montre l'allure du diagramme d'antenne obtenu dans le dispositif de la figure 4. Sur la figure 1, un sonar 101 porté par un bateau se déplaçant avec une vitesse VA reçoit l'écho d'une cible 102 située dans un gisement e correspondant au lobe principal d'une voie de réception 104. Cette cible se déplace avec une vitesse Vc formant un angle Oc par rapport à l'axe de la voie de réception 104. Le sonar reçoit en outre des échos de différents endroits de la mer formant des cellules de réverbération. Une de celles-ci, 103 par exemple, se trouvent dans un gisement e R par rapport à VA, , ce gisement correspondant à un lobe secondaire 105 de la voie de réception principale 104. En partant de la formule connue donnant le décalage Doppler qui est égal: (1) 2 Vr f c O où: Vr est la vitesse radiale entre la cible et le sonar; c est la vitesse du son dans l'eau; et f0 est la fréquence d'émission du sonar, le décalage Doppler sera le même pour la cible et la cellule de réverbération 103 lorsque les paramètres de ces deux sources d'écho répondront à l'équation suivante: (2) V A cos 0r = Vc cos e c + A cos e Comme les cellules de réverbération sont situées dans tout l'espace environnant le sonar, particulièrement celles provenant de la réverbération de volume, cette égalité a toutes les chances d'être respectée dans une ou plusieurs directions correspondant à des lobes secondaires de réception du sonar.Même si ces lobes sont relativement atténués par rapport au lobe principal, le résultat est finalement fortement perturbé. On a représenté sur la figure 2 un bâtiment tracteur 201 qui comporte sous sa coque un émetteur sonar 202 qui rayonne de manière sensiblement omnidirectionnelle dans tout l'espace sous-marin. Le bâtiment tracte à l'aide d'un câble de remorquage 204 une antenne sonar linéaire 203 formée d'un ensemble de capteurs 205 régulièrement espacés d'une distance d le long de l'antenne. Comme expliqué plus haut, le bâtiment avance dans une direction sensiblement parallèle à son axe avec une vitesse VA. Il entraîne bien entendu l'émetteur 202 et l'antenne de réception 203. Dans ces conditions, les échos reçus par l'antenne 203 provenant des impulsions de durée T émises par l'émetteur 202, présentent un décalage Doppler même lorsqu'ils proviennent de la réverbération sur des obstacles fixes, dont la valeur correspond à une vitesse relative 2 VA. Le coefficient 2 provient de ce que l'émetteur et le récepteur avancent tous les deux à la vitesse VA. Pour éliminer ce décalage Doppler, et les inconvénients qu'il présente, il faudrait que l'antenne de réception se déplace dans le sens opposé au mouvement du bateau avec une vitesse VA Ceci n'est manifestement pas possible puisque, même si on laisse le câble de remorquage se dévider librement, l'antenne resterait au mieux immobile dans la mer et l'on aurait donc un décalage Doppler correspondant à une vitesse VA due au mouvement de l'émetteur. Comme on l'a vu ci-dessus, il est possible, pour obtenir une compensation du mouvement de l'antenne, de sélectionner au moins un ensemble de M capteurs consécutifs parmi les N capteurs constituant l'antenne, et de déplacer électroniquement cet ensemble le long de l'antenne 203 vers Itarrière de celle-ci, à une vitesse V A dirigée dans le sens opposé à l'avancement du bateau, ce qui permet de compenser totalement le décalage Doppler introduit sur les échos fixes par le déplacement du bateau et de l'antenne de réception. Tout se passe comme si les M capteurs sélectionnés étaient placés sur un tapis roulant à une vitesse -2 VA par rapport à l'antienne de réception.Plus généralement, on constitue avec ces M capteurs une sous-antenne glissante, de longueur utile Lu, qui se déplace par rapport à l'antenne physique, de longueur L. Lorsque le mouvement fictif de cette sous-antenne glissante lui fait atteindre l'extrémité arrière de l'antenne physique, la sous-antenne glissante repart de l'extrémité avant de l'antenne physique, ce qui se fait instantanément puisqu'il s'agit de simples commutations électroniques. Selon cette technique, le traitement du signal consiste, outre la formation de voies, à corréler les signaux reçus avec une copie du signal émis. Ce signal étant une impulsion de durée T, la corrélation nécessite d'utiliser un signal reçu pendant cette même durée T. Et comme la sous-antenne glissante se déplace fictivement le long de l'antenne physique, il faut que la sous-antenne glissante soit suffisamment petite pour ne pas déborder de l'extrémité arrière de l'antenne physique avant la fin de la durée T de l'impulsion émise.Ceci impose de vérifier la contrainte suivante sur les longueurs Lu de l'antenne utile et L de l'antenne physique: (3) L 2 Lu + 2 VA T Cette technique, satisfaisante par ailleurs, présente donc l'inconvénient que cette contrainte limite considéra blement la durée d'impulsion T, pour une longueur L de sous u antenne donnée, et en particulier pour des vitesses élevées du bâtiment. Le procédé selon la présente invention permet de compenser le décalage Doppler provenant des échos fixes du fait du mouvement de l'antenne physique, et permet aussi de s'affranchir de la contrainte que représente la relation (3). Il est mis en oeuvre à partir des signaux obtenus sur une sous antenne glissante et consiste à appliquer à ces signaux des retards de façon à constituer, à partir d'une sous-antenne glissante, une pluralité de sous-antennes associées, décalées les unes par rapport aux autres, par le mouvement de translation de l'antenne physique. En effet, une sous-antenne glissante est animée d'un mouvement de translation dans la direction opposée à la direction du bâtiment, à une vitesse égale à celle du bâtiment. Entre deux instants t et t+8t, une sous-antenne glissante s'est donc déplacée d'une distance égale à VA.6t. Si l'on considère l'onde réfléchie par un diffuseur fixe situé dans un gisement 0, on constate que cette onde réfléchie arrive sur un même capteur de la sous-antenne glissante aux instants t et t+ât avec une différence de marche qui vaut 2VA.6t.cos 0. Bien entendu, le facteur 2 provient du fait que pendant la durée ât, l'antenne d'émission aussi bien que l'antenne de réception se sont déplacées de VA 8t On peut donc considérer selon l'invention les signaux issus de la sous-antenne glissante aux instants t et t+6t comme des signaux issus de deux sous-antennes associées espacées de 2VA.6t. Le procédé selon la présente invention repose sur l'utilisation non plus d'une impulsion unique de durée T, mais de plusieurs impulsions jointives d'une durée totale T. A titre d'exemple, on considérera dans la suite de cette description un signal d'émission constitué de p impulsions jointives, modulées en phase à la fréquence 0 et de même durée unitaire Tp, avec: (4) T = p.Tp Ces impulsions ont la même pondération d'amplitude, mais peuvent présenter des phases différentes 01 ..., fp. La durée unitaire d'impulsion T p est choisie de sorte que foTp soit entier. L'invention propose de retarder les signaux obtenus sur une sous-antenne glissante de l'art antérieur, en leur appliquant des retards 0, Tp, 2Tp, ..., (p-l)T correspondant aux p durées cumulées des impulsions jointives de durée unitaire Tp, qui constituent le signal d'émission. Ainsi, on obtient à partir d'une sous-antenne glissante des signaux que l'on peut considérer comme provenant de p sous-antennes associées. Il est alors possible, à partir de ces signaux, de former des voies en compensant pour chaque voie dans une direction 8, la différence de marche entre les sous-antennes associées. On a vu plus haut que cette différence de marche vaut, pour deux sous-antennes associées voisines, 2VA.Tp.cos 8. La figure 3 montre le mouvement au cours du temps d'une sous-antenne glissante et de ses sous-antennes associées; on a représenté ce mouvement dans un repère x lié à la mer, dans lequel la sous-antenne glissante se déplace dans le sens opposé à celui du bâtiment, à la vitesse VA. La figure 3 illustre le cas où p = 4, et où l'on constitue à partir d'une sous-antenne glissante 301 quatre sous-antennes 301, 302, 303, 304, par application de retards 0, Top, 2top, 3Tp. Le traitement des signaux issus des sous-antennes associées consiste, outre la formation de voies, à corréler les signaux reçus avec des copies Doppler d'une impulsion de durée Tp Compte tenu du mouvement fictif de la sous-antenne glissante 301 vers l'arrière de l'antenne réelle, il faut que la sous-antenne glissante 301 soit suffisamment petite pour ne pas déborder de l'extrémité arrière de l'antenne réelle avant la fin de la durée T p des copies Doppler utilisées pour la corrélation.On obtient donc selon la présente invention la relation suivante entre la longueur utile L de la sous u antenne glissante et la longueur L de l'antenne physique: (5) L 2 L + 2V T u Ap Bien entendu, il est possible de choisir d'effectuer la corrélation par des copies Doppler d'une impulsion présentant une pondération d'amplitude et une durée T c différentes de celles de l'impulsion émise. Ceci peut permettre d'accroître encore la résolution Doppler.La durée T c doit alors vérifier, de façon analogue: (6) L 2 L + 2V T u A c Sur la figure 3, on a représenté le cas de la corrélation par une impulsion de durée Tc La sous-antenne glissante 301 présente une longueur L maximale compte tenu de la re u lation (6) et arrive à l'extrémité de l'antenne physique au bout de la durée Tc Le mouvement de la sous-antenne glissante 301 est représenté par la surface hachurée, et lorsqu'elle arrive à l'extrémité de l'antenne physique, elle repart au début, comme symbolisé par la ligne en pointillés 311.Comme on le voit sur la figure 3, on constitue selon l'invention, à partir d'une sous-antenne glissante 301, quatre sous-antennes associées 301, 302, 303 et 304, animées par rapport à la mer d'une vitesse opposée à celle du bâtiment. La figure 4 montre un schéma synoptique d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention et représente le traitement du signal issu d'une sous-antenne glissante. Une sous-antenne glissante 401 se déplace de façon connue à une vitesse égale à 2VA par rapport à l'antenne physique 402, vers l'arrière de celle-ci. Les signaux issus de la sousantenne glissante 401 sont utilisés dans une première étape 403 pour former des voies dites voies primaires. Cette première étape de formation de voies primaires s'effectue de manière connue, permet de former N v voies dans des directions e.. Dans le cas où la sous-antenne glissante est constituée de M capteurs, la formation de voies primaires peut se faire selon le schéma de calcul: où: D.(t) est le signal dans la voie pointée dans le gise ment 8 . à l'instant t; r n (t) est le signal reçu sur le capteur d'ordre n à l'ins tant t; an sont des coefficients de pondération d'amplitude; d représente la distance entre deux capteurs successifs. Ces calculs de formation de voies primaires sont effectués toutes les At secondes, et il convient de choisir l'intervalle de temps At de façon à ce que 1/At soit inférieur à la bande de réception en fréquence du sonar. On obtient ainsi Nv signaux de voies primaires dans les gisements 0i. Une deuxième étape 404 consiste, selon le procédé de l'invention, à retarder les signaux obtenus pour chacune des voies primaires, en leur appliquant des retards 0, T 2Tp, p' ..., (p-1)Tp correspondant aux durées des p impulsions join p tives qui constituent le signal d'émission. On forme alors des voies secondaires, en compensant pour chaque voie secondaire e j la différence de phase engendrée à la fréquence f0 par la différence de marche 2V T cos e j entre deux sousantennes associées voisines. La formation de voies secondaires 405 se fait donc suivant la formule: où: Di,j(t) est le signal dans la voie secondaire e. formé à partir du signal de voie primaire e.; et exp(-j#m) compense la phase des impulsions jointives de durée Tp qui constituent le signal d'émission. Cette étape 405 de formation de voies secondaires permet d'obtenir pour chaque voie primaire Ns voies secondaires. Le traitement des signaux consiste ensuite, de façon classique, en une corrélation 406 des NS.Nv signaux de voies secondaires obtenus par des copies d'une impulsion de durée T émise; on corrèle chacun des N .N signaux de voies se p sv condaires par Nc copies d'une impulsion de durée T p correspondant à des décalages Doppler différents, c'est-à-dire à des vitesses radiales différentes. Comme on l'a vu plus haut, il est également possible d'utiliser des copies de corrélation d'une durée T c différente. La figure 5 montre l'allure du diagramme d'antenne obtenu dans le dispositif de la figure 4. On a représente en trait plein le lobe principal 501 d'une voie primaire dans la direction e.. Le lobe principal 501 de cette voie primaire est centré sur la valeur cos Oi. Le lobe principal présente un premier zéro en aXo/Lu où a est un coefficient proche de 1 qui dépend de la pondération et du recoupement des lobes et ko est la longueur d'onde à la fréquence f0. On a aussi représenté, sur la figure 5, le lobe principal 502 d'une voie secondaire dans le gisement ejr ainsi que le premier lobe image 503 de cette voie secondaire.La voie secondaire formée dans le gisement #j, à partir des signaux de voie primaire dans le gisement Oi présente des loges images dont les directions e n sont données par: xo (9) Cos #n = cos #j + n. #o 2VA. Tp avec n = 0, 1, 2... Autrement dit, les lobes images de la voie secondaire sont rejetés en dehors du lobe principal de la voie primaire si (10) 2V T # L Ap u ce qui revient à dire que l'écart entre deux lobes de voies secondaires est supérieur à la largeur du lobe de voie primaire. Cette condition de éjection des lobes images de la voie secondaire se traduit finalement par: (11) Lu # 2 aV T qui fixe le recouvrement minimum entre deux sous-antennes obtenues par les retards selon l'invention. Pour obtenir une couverture de tout l'horizon, on forme des voies primaires dans des gisements e. compris entre 0 et 1800, et on forme pour chaque voie primaire, toutes les voies secondaires dans les gisements e j vérifiant: (12) 0 # cos #j Ainsi, les caractéristiques d'un système pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sont finalement déterminées d'après les relations: (5) L # L + 2V T u Ap et (11) Lu 1 2 a VAT Bien entendu, on peut utiliser, selon les valeurs de la vitesse V A du bâtiment, des valeurs différentes de p et T p compte tenu des longueurs de l'antenne physique et des sousantennes glissantes utilisées. A titre d'exemple, on considère ci-dessous une antenne linéaire de 100 hydrophones espacés de 0,500 m, et une fréquence 0 d'émission de 1 000 Hz, correspondant à un ko de 1,5 m. On a dans ce cas une antenne physique de longueur L égale à 33 k. En choisissant une longueur d'antenne utile L u = L/2 = 16,5 X et une durée d'impulsion T constante de 8 secondes, on est conduit, en fonction de la vitesse V A du bâtiment, à adapter la durée T pour satisfaire les relations (5) p et (11), comme le montre le tableau ci-dessous. On y a également porté la durée maximale de l'impulsion de corrélation Tc, calculée à partir de la relation (6). -1 VA(ms ) 0-1,5 1,5-2,5 2,5-5 5-7,5 7,5-10 nombre d'impulsions p 1 3 5 8 10 durée T (s) 8 2,66 1,6 1 0,8 p durée T (s) ......., 8 4,95 2,48 1,65 1,24 c La présente invention, pour des raisons de clarté, a été décrite pour un signal d'émission à la fréquence pure f0. Elle n'est bien sûr par limitée au cas de tels signaux d'émission, et s'applique aussi bien pour des impulsions à spectre plus large. La présente invention a été décrite en référence à une sous-antenne glissante constituée de M capteurs. Mais il est évident qu'elle ne saurait être limitée à ce mode de réalisation particulier. Elle peut bien sûr s'appliquer avec profit à tout type de procédé de compensation du mouvement de l'antenne pour un sonar dans lequel l'antenne comprend un ensemble de transducteurs dont on commute les signaux pour obtenir une sous-antenne animée d'un mouvement fictif. En particulier, la présente invention s'applique au cas bien connu de lthomme de l'art où l'on constitue la sous-antenne glissante à partir de capteurs fictifs obtenus par interpolation des signaux des capteurs physiques de l'antenne. Elle pourrait aussi bien s'appliquer dans le cas où, pour augmenter la couverture d'un sonar, on constitue plusieurs sous-antennes glissantes que l'on fait partir successivement du début de l'antenne, de manière étagée dans le temps. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de compensation du mouvement de l'antenne pour un sonar, dans lequel l'antenne (203) est animée d'un mouvement de translation et comprend un ensemble de transducteurs (205) dont on commute les signaux pour obtenir au moins une sous-antenne animée d'un mouvement fictif permettant de compenser le décalage Doppler apporté aux échos fixes par ledit mouvement de translation, caractérisé en ce qu'il comprend l'application de retards sur les signaux issus de ladite ou desdites sous-antennes, de façon à constituer une pluralité de sous-antennes associées décalées les unes par rapport aux autres. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sonar émet une impulsion constituée de p impulsions jointives de durée unitaires Tp 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on applique sur les signaux de ladite ou desdites sousantennes des retards égaux aux multiples de T p compris entre 0 et (p-l)T , de façon à constituer, à partir de chaque sous antenne, p sous-antennes associées. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de sous-antennes associées constituées à partir de chaque sous-antenne est fonction de la vitesse de translation du sonar. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de voies dites voies primaires antérieure à l'application desdits retards. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de voies dites voies secondaires après l'application desdits retards. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite ou lesdites sous-antennes parcourent toute la longueur de l'antenne (303) pendant la durée Tp 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que lesdites sous-antennes associées se chevauchent au moins partiellement.