Brevet FR2686457A1 — publié le 19930723

ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE La présente invention a pour objet une antenne du type à balayage électronique. Dans ce type d'antenne on forme un seul faisceau d'émission et de réception à chaque récurrence d'émission. Pour ce faire, on lui associe une électronique qui a pour fonction de produire des signaux pour focaliser l'émission et la réception ainsi que d'assurer le balayage électronique du secteur image. La réjection des lobes images hors du champ est nécessaire à l'obtention de bonnes images, ce qui entraîne un pas entre capteurs qui est compris entre 0,5 et une fois la valeur de la longueur d'onde Dans un tel système on est conduit à mettre en oeuvre à la réception et à l'émission un grand nombre de capteurs pour former un seul faisceau à la fois, ce qui a pour conséquence que l'électronique de traitement est tres compliquée et très coûteuse. La présente invention a pour objet une antenne du type à balayage électronique sectoriel dans laquelle le nombre de circuits électroniques mis en oeuvre pour 1 l'émission et/ou la réception peut être diminué dans une proportion notable. L'invention concerne ainsi une antenne du type à balayage électronique sectoriel, comportant une pluralité de transducteurs, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément de focalisation disposé de manière telle que les signaux de sortie d'au moins un groupe desdits transducteurs correspondent à une disposition des transducteurs dudit groupe sensiblement dans une surface focale dudit élément de focalisation. L'élément de focalisation a pour fonction de focaliser les ondes sur un transducteur, et à chaque transducteur correspond une direction donnée e. En associant ainsi un ou plusieurs éléments de focalisation à tout ou partie des transducteurs, on diminue en effet, comme on va le montrer dans la suite de la description, le nombre de voies de traitement électronique. Un élément de focalisation peut être une lentille. En disposant plusieurs lentilles selon au moins une direction donnée, chaque lentille présentant sensiblement dans sa surface focale un groupe différent de transducteurs, on réalise une antenne dont les signaux peuvent être traités de manière simple par multiplexage, autrement dit en adressant par commutation électronique successivement chaque transducteur d'un même groupe et par application d'un retard donné à l'émission et à la réception. Selon un premier mode de réalisation, au moins un groupe de transducteurs est situé sur la surface focale de la lentille correspondante, chaque transducteur présentant une même largeur x. Selon un deuxième mode de réalisation, au moins un groupe de transducteurs forme un réseau plan dont la largeur varie entre x pour le capteur axial x/2 pour le capteur extrême. Selon un mode de réalisation préféré, x a pour valeur x = f > /1, f désignant la distance focale d'une lentille, 1 son ouverture et A la longueur d'onde des signaux de transducteur. Selon un mode de réalisation préféré, un élément de focalisation est constitué pour chaque groupe de transducteurs par un groupe d'éléments retardateurs comportant ny retards, chaque élément retardateur comportant une entrée connectée à la sortie d'un transducteur correspondant dudit groupe, et chaque élément retardateur présentant une sortie pour produire un signal multiplexé desdits ny retards. On obtient ainsi un équivalent "électronique" d'une lentille, avec une surface focale "virtuelle". L'invention concerne également une antenne telle que définie ci-dessus dans laquelle les moyens électroniques de traitement comportent au moins un multiplexeur présentant une pluralité de premières bornes couplées au transducteur d'un groupe et une deuxième borne couplée à circuit retardateur dont le retard est fonction d'un signal de commande, ledit commutateur étant adressable pour connecter électriquement une quelconque des premières bornes à la deuxième borne. Une telle antenne peut comporter une pluralité de multiplexeurs, les sorties des circuits retardateurs correspondants étant couplées à des entrées d'un circuit sommateur dont la sortie produit le signal d'image, les signaux de commande des circuits retardateurs étant choisis de manière à produire le balayage désiré à l'émission et à la réception. Une antenne utilisable aussi bien à l'émission qu'à la réception peut être obtenue grâce au fait qu'au moins un multiplexeur est agencé pour recevoir un signal d'émission. Selon une variante particulièrement avantageuse, permettant de former des faisceaux en parallèle, l'antenne comporte une pluralité de circuits formateurs de faisceaux présentant chacun une pluralité d'entrées dont chacune est connectée à au moins un transducteur de chaque groupe de transducteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui va suivre, dans lesquels La figure 1 représente une antenne à balayage sectoriel de l'art antérieur. La figure 2 représente une antenne à balayage sectoriel selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente un élément d'antenne selon une variante de l'invention. La figure 4 représente un transducteur associé à une lentille selon l'invention. La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention convenant à la réalisation de faisceaux parallèles. La figure 6 représente un mode préféré de réalisation de l'invention, selon lequel une focalisation est obtenue par des retards électroniques. Selon la figure 1 correspondant à l'art antérieur, une antenne à balayage électronique comprend une pluralité de transducteurs 1 arrangés selon au moins une dimension permettant d'obtenir une ligne d'image à chaque récurrence. A chaque récurrence ou tir, on alimente simultanément tous les transducteurs de l'antenne avec une loi de retard électronique donnée. Cette loi de retard électronique est changée à chaque récurrence, ce qui permet d'obtenir séquentiellement une image complète. La loi de retard sert à la fois à dépointer pour assurer le balayage sectoriel et à focaliser. La même loi de récurrence est appliquée à la fois à l'émission et à la réception. La flèche F indique le sens de balayage entre le premier tir Tl et le dernier tir TD. Une telle antenne comporte un nombre élevé de transducteurs élémentaires. A chacun de ces transducteurs est associé un circuit électronique assurant la loi de retard aussi bien à l'émission qu'à la réception. Le nombre de transducteurs étant de l'ordre de plusieurs dizaines, cette technique présente l'inconvénient d'exiger la production et le traitement d'un nombre élevé de signaux, ce qui implique un grand nombre de circuits électroniques ainsi qu'un court élevé. Selon la figure 2, une antenne à balayage sectoriel comporte, comme dans le cas précédent, un certain nombre de transducteurs T alignés selon au moins une direction. Un transducteur T peut être constitué par exemple de plusieurs céramiques reliées électriquement entre elles. Ces transducteurs sont répartis en différents groupes, ici au nombre de cinq, dénommés G1, G2, G3, G4 et G5. A chacun de ces groupes, est associée une lentille L1, L2, L3, L4 et L5, de telle manière que les transducteurs T soient situés sensiblement dans la surface ou le plan focal desdites lentilles. Dans le cas des ultra-sons, on utilise une lentille acoustique cylindrique de quelques millimètres de largeur. Pour les ondes électromagnétiques, on peut utiliser des lentilles électromagnétiques connues en soi. Aussi bien dans le cas d'une émission que dans le cas d'une réception, les lentilles focalisent les signaux suivant la direction e sur un transducteur particulier référencé Tg de chacun des groupes de transducteurs. Ces lentilles permettent donc de réaliser pour chaque transducteur de chaque groupe une séparation angulaire, fonction pour laquelle il n'est donc plus besoin de circuit électronique associé à chacun des transducteurs. Les signaux des transducteurs de chaque groupe sont adressés par commutation électronique pour réaliser le balayage angulaire. Les signaux des transducteurs du groupe G1 sont appliqués aux entrées d'un multiplexeur MPX1 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un préamplificateur PA1 et dont la sortie attaque un circuit de retard R1. I1 en va de même pour les transducteurs du groupe G2 avec un multiplexeur MPX2, un preamplificateur PA2, et un circuit retardateur R2, et ainsi de suite jusqu'au groupe G5 (multiplexeur MPX5, préamplificateur PA5, et circuit retardateur R5). Les sorties des circuits retardateurs sont appliquées aux entrées d'un sommateur S dont la sortie produit le signal vidéo V désiré. Un signal de commande CD permet de mettre en contact électrique un transducteur sélectionné de chaque groupe avec l'entrée du préamplificateur correspondant. A un instant donné un capteur de chaque groupe correspondant à une direction e sélectionnée, est adressé. La sommation de signaux auxquels on applique une loi de retard de manière classique, permet d'obtenir une image à résolution élevée dans la direction e. Le circuit ci-dessus correspond à la réception d'un signal. Pour une phase d'émission, des signaux E1 à E5 sont appliqués aux entrées des préamplificateurs, respectivement PA1 .... PA5, et sont répartis séquentiellement par les multiplexeurs respectifs MPX1 à MPX5, en fonction du signal de commande CD, à un des transducteurs T de chaque groupe, en fonction de la direction e de balayage. Les signaux E1 à E5 présentent la même loi de retard angulaire que les circuits retardateurs R1 à R5 si on veut obtenir la même directivité à l'émission et à la réception. Cette loi de retard est formée par des circuits de retard RE1 RE2, .... RE5 dont la sortie attaque des préamplificateurs d'émission PAE1, PAE2 ... PAE5, dont les sorties fournissent respectivement les signaux E1 à E5. Comme décrit précédemment dans le cas d'une réception, les lentilles L1 à L5 présentent la même fonction angulaire, ce qui permet de diminuer dans la même proportion le nombre de signaux et de circuits électroniques nécessaires à l'obtention du balayage angulaire de l'antenne. Les ensembles préamplificateurs PA1 .... PA5 et circuits retardateurs R1 ... R5 et le circuit sommateur S constituent un circuit formateur de faisceaux de type classique. Selon la figure 3, les capteurs Tm associés à une lentille Lm sont disposés sur la surface focale de la lentille Lm et dirigés vers celle-ci. On pourra par exemple conformer les transducteurs suivant plusieurs surfaces concaves, par un procédé connu tel que décrit par exemple dans le brevet japonais 57-181299. Il est également possible de disposer des transducteurs sur un réseau plan, comme représenté à la figure 2, la largeur de chaque transducteur décroissant de x à x/2 depuis le centre vers les bords de manière à augmenter l'interception. Cette décroissance peut être linéaire (en première approximation). En outre, il est avantageux de réduire proportionnellement l'écart entre les capteurs pour assurer la continuité du balayage, ce qui conduit à augmenter le nombre de transducteurs, qui reste cependant inférieur au cas de l'art antérieur. On remarquera par ailleurs que la profondeur de champ est déterminée par la pupille horizontale 1 de la lentille et par la position de la rétine portant les transducteurs par rapport au plan des lentilles. Ces deux paramètres seront ajustés en fonction du problème opérationnel à résoudre. On comprendra que, en ce qui concerne la position des transducteurs vis-à-vis de la surface focale de la lentille, le terme "sensiblement" dans la surface focale de la lentille signifie au sens de la demande que l'on doit tenir compte de la profondeur de champ telle qu'elle a été mentionnée cidessus. D'autre part, et indépendamment de toute considération de profondeur de champ, la deuxième solution consistant en un réseau plan comportant des transducteurs dont la largeur est variable en fonction de la position par rapport à l'axe de la lentille, implique qu'il est nécessaire que seul un transducteur situé au voisinage de l'axe de la lentille soit situé sur la surface focale de celle-ci. En se reportant maintenant à la figure 4, on va indiquer comment la largeur d'un transducteur élémentaire T peut être déterminée. Un capteur élémentaire T doit intercepter l'ouverture 1 de la lentille L. Soit ec, l'angle sous lequel le transducteur T voit la lentille L. On peut écrire en première approximation ec ^' de l/f = avec f = distance focale de la lentille L # = longueur d'onde des signaux du transducteur T, c = largeur du transducteur T. Il en résulte que lc Afin d'optimiser la largeur du capteur élémentaire T, chaque transducteur doit être sur la surface focale de la lentille et orienté mécaniquement afin d'intercepter la pupille de la lentille. Comme indiqué ci-dessus, une solution alternative consiste en un réseau plan dont la largeur des capteurs varie de f # /1 pour le capteur axial Tmo à f > /21 pour les capteurs extrêmes, la loi de variation pouvant être linéaire (en première approximation). On va maintenant pouvoir chiffrer les avantages du système par rapport à l'art antérieur. A titre d'exemple on choisit f = 1, ceci correspond à une ouverture numérique de la lentille égale à 1. Pour une antenne de longueur L, le nombre de voies de traitement Ncl est égal 2L/ > . Dans le cas d'une antenne classique, les transducteurs doivent être espacés de > /2 afin d'obtenir une réjection des lobes images à + 90 . Dans le cas d'une antenne comportant au moins une lentille selon l'invention et de longueur L', le pas entre les capteurs peut être égal à # , en raison du fait qu'il n'est plus nécessaire d'obtenir une réduction des lobes images, celle-ci étant obtenue grâce à la directivité de la lentille. Le nombre total de capteurs NC2 est égal L'/ > . Ceci permet déjà un gain de rapport 2 par rapport à l'art antérieur. En outre, et comme il y a n c transducteurs T par groupe G, le nombre de voies électroniques de traitement est également diminue d'un rapport nc. On aura donc besoin de 2 x nc fois moins de voies de traitement électronique, et 2 fois moins de transducteurs T que dans le cas d'une antenne à balayage électronique de l'art antérieur. APPLICATION NUMERIQUE On a n c = l/A pour une fréquence f de 3 MHz, A = 0,5 mm et pour des lentilles de largeur 1 = 3 mm, on obtient un facteur d'amélioration égal à 12 par rapport à une antenne de l'art antérieur, soit douze fois moins de voies électroniques de traitement que dans une antenne à balayage électronique de l'art antérieur. Pour augmenter ce facteur, il faudrait augmenter la pupille de la lentille, ceci étant cependant obtenu au détriment du champ angulaire de la lentille et de la profondeur de champ. L'optimisation de ce facteur sera donc un compromis dépendant des choix opérationnels (secteur, portée, fréquence du signal). Une amélioration supplémentaire relative à la réjection des lobes images à + 90" est obtenue en plaçant des écrans 10 entre les groupes de transducteurs. Pour ce faire, on peut par exemple, surmouler une épaisseur suffisante d'un matériau acoustiquement transparent (par exemple du polyuréthane) que l'on usine le cas échéant pour obtenir les surfaces convexes ou concaves suivant l'indice du matériau qui forme les lentilles. Un trait de scie entre chaque lentille constitue l'écran (lame d'air). Un autre avantage d'une antenne selon l'invention est qu'il est possible d'intégrer les multiplexeurs dans la sonde, ce qui permet de réduire dans un facteur n c le nombre de voies à transmettre par le câble de liaison de la sonde à l'électronique de traitement et donc le diamètre du câble. D'autre part, le niveau du signal circulant dans chaque fil du transducteur est plus important que dans le cas classique en raison du gain de la lentille par rapport à celui du transducteur, soit environ 8 dB (10 log6 dans l'application numérique ci-dessus), ce qui permet de mieux s'affranchir des parasites électriques. I1 apparaît ainsi, grâce à la réduction importante du nombre de voies de traitement qu'il est envisageable de réaliser des machines de traitement numérique à coût raisonnable. Selon la figure 5, on forme des faisceaux en parallèle dans le but d'augmenter la cadence image en vue de réaliser soit un traitement Doppler soit un traitement d'intégration d'image à image pour réduire notamment le bruit. Dans ce but, une pluralité de circuits de formation de faisceaux FF1, FF2 et FF3, etc, sont mis en oeuvre. Chaque entrée d'un tel circuit formateur de faisceaux est connectée à au moins un transducteur de chaque groupe de transducteurs. Par exemple le circuit formateur de faisceaux FF2 a ses entrées connectées aux transducteurs axiaux To de chacun des groupes transducteurs G1 à G4 correspondant aux lentilles L1 à L4. De la même façon, les circuits formateurs de faisceaux FF1 et FF3 ont chacun leurs entrées connectées à des transducteurs T occupant des positions similaires dans les différents groupes G1 à G4, et ainsi de suite pour d'autres circuits formateurs de faisceaux. On peut donc ainsi avoir jusqu'à nc circuits formateurs de faisceaux par antenne. A titre de variante, les entrées des circuits formateurs de faisceaux peuvent également recevoir les signaux de plusieurs (p) transducteurs d'un même groupe, disposés de la même façon pour chacun des groupes. Dans ce cas, il faut adjoindre à chaque circuit formateur de faisceaux FF q commutateurs électroniques MPX à p entrées (q étant le nombre de groupes de transducteurs). Pour connecter tous les transducteurs T, il faut alors q.nc/p commutateurs électroniques MPX et nc/p circuits formateurs de faisceau FF. Bien entendu, pour p=nc, on retrouve la configuration de la figure 2. Les sorties des circuits formateurs de faisceaux FF1, FF2, FF3 ... produisent des signaux vidéo en parallèle V1, V2, V3.... La figure 6 représente un mode préféré de réalisation de l'invention dans lequel on réalise un équivalent électronique d'une lentille. Chaque groupe de transducteur formant une sous-antenne comporte nc transducteurs numérotés de 1 à nc. Il y a K sous-antennes (K = N/nc). Chaque transducteur est relié à un circuit retardateur bidirectionnel RS1, RS2 ... RSC, chaque circuit retardateur produisant nv retards sur nv sorties correspondantes. Ces retards sont choisis de manière à compenser les différences de marche entre chaque transducteur et un point focal virtuel prédéterminé. Une focalisation est considérée comme satisfaisante dans la zone où la différence de marche ne dépasse pas Ces Ces sorties sont multiplexées par des multiplexeurs MPX1 ... MPXc dont la sortie est connectée à une entrée d'un duplexeur. Le premier groupe de transducteurs présente des duplexeurs référencés (D11, D21 ... DCl) dont l'autre entrée reçoit un signal de retard d'émission ER1. Le deuxième groupe de transducteurs présente des duplexeurs référencés (D21, D22 ... DC2) dont l'autre entrée reçoit un signal de retard d'émission ER2 ; le dernier (Kème) groupe de transducteurs présente des duplexeurs référencés (D1K, D2K, ... DCK) dont l'autre entrée reçoit un signal de retard d'émission ERK. Les sorties des duplexeurs (D11, D21 ... DC1) du premier groupe sont connectés aux entrées correspondantes d'un sommateur S1. Les sorties des duplexeurs (D12, D22 ... DC2) du deuxième groupe sont connectées aux entrées correspondantes d'un sommateur S2. Les sorties des duplexeurs (D1K, D2K ... DCK) du dernier groupe de transducteurs sont connectés aux entrées correspondantes d'un sommateur SK. La sortie du sommateur S1 est connectée à l'entrée du circuit de retard programmable R1. La sortie du sommateur S2 est connectée à l'entrée du circuit de retard programmable R2. La sortie du sommateur SK est connectée à l'entrée du circuit de retard programmable RK. Comme déjà mentionné, les K retards programmables R1 ... RK assurent la formation de- la voie dans la direction de pointage et varient également dans le temps pour assurer la focalisation dynamique. A l'émission, on fait le même traitement qu'à la réception. L'antenne fonctionne de manière séquentielle avec une émission et une réception par récurrence. Il y a un seul faisceau par récurrence. A chaque récurrence, correspond une direction de pointage et on forme une voie. Le séquencement des multiplexeurs est tel que l'on change de position, c'est-à-dire de retard, à chaque récurrence. A chaque recurrence, les retards programmables d'émission (signaux ER1, ER2 ... ERK) et ceux de réception (circuits R1, R2 ... RK) sont identiques. Les retards comportent ainsi deux composantes identiques à l'émission et à la réception : un retard pour effectuer le dépointage, (R1 ... RK, ER1 ... ERK), et un retard pour réaliser une focalisation (circuits RS1 ... RSC). Les circuits RS1 ... RSC comportent chacun nv circuits de retard bidirectionnels par exemple des lignes à retard du type LC. I1 est possible d'intégrer dans la sonde la préformation des voies correspondant à une focalisation "électronique", à savoir les circuits de retard fixe RS1 ... RSC qui sont avantageusement analogiques, les multiplexeurs bidirectionnels MpXl ... MPXC, pour chaque groupe, soit en tout N multiplexeurs de ce type, les duplexeurs émission-réception (D11, D21 ... DCl ... DCK) également au nom de N et les K sommateurs (S1, S2 ... SK). On réduit ainsi à 2K (au lieu de 2N) le nombre de connexions dans le câble de liaison sonde/machine (K câbles coaxiaux pour l'émission, et K pour la réception). Un autre avantage substantiel par rapport à la mise en oeuvre de lentille est que les transducteurs n'ont plus à respecter la donction 1c REVENDICATIONS 1) Antenne du type à balayage sectoriel comportant une pluralité de transducteurs, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément de focalisation (L) disposé de manière telle que les signaux de sortie d'au moins un groupe desdits transducteurs (T) correspondent à une disposition des transducteurs dudit groupe sensiblement dans une surface focale dudit élément de focation (L). 2) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments de focalisation (L1 ... L5) disposés pour des groupes différents de transducteurs. 3) Antenne selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un élément de focalisation est une lentille (L), les transducteurs dudit groupe étant disposés sensiblement dans la surface focale de la lentille (L). 4) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les lentilles (L1 ... L5) sont séparées par des écrans (10). 5) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins un groupe de transducteurs (T) est situé sur la surface focale (S) de la lentille correspondante (L), chaque transducteur présentant une même largeur x. 6) Antenne selon une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un groupe de transducteurs (T) forme un réseau plan dont la largeur varie entre x pour le capteur axial à x/2 pour le capteur extrême. 7) Antenne selon une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que x = f ,\ /l, f désignant la distance focale d'une lentille, 1 son ouverture, et \ la longueur d'onde des signaux des transducteurs (T). 8) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un élément de focalisation est constitué pour chaque groupe de transducteurs (1 ... nc) par un groupe d'élements retardateurs (RS1 ... RSC) comportant nv retards, chaque élément retardateur comportant une entrée connectée à la sortie d'un transducteur correspondant dudit groupe, et chaque élément retardateur présentant une sortie pour produire un signal multiplexé desdits nv retards. 9) Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte pour chaque groupe de transducteurs, un élément de multiplexage (S1 ... SC) pour multiplexer les sorties des éléments retardateurs (Rs1 ... RSC) dudit groupe. 10) Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte entre la sortie de chaque élément retardateur et l'entrée correspondante de l'élément multiplexeur, un duplexeur (D11 ... DCK) émission/réception. 11) Antenne selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens électroniques de traitement comprenant au moins un multiplexeur (MPX) présentant une pluralité de premières bornes couplées aux transducteurs (T) d'un groupe et une deuxième borne couplée à un circuit retardateur (R) dont le retard est fonction d'un signal de commande, ledit multiplexeur (MPX) étant adressable pour connecter électriquement une quelconque des premières bornes à la deuxième borne. 12) Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de multiplexeurs (MPX1 ... MPX5), en ce que les sorties des circuits retardateurs correspondants sont couplées à des entrées d'un circuit sommateur (S) dont la sortie produit un signal vidéo, et en ce que les signaux de commande des circuits retardateurs (R) sont choisis de manière à produire le balayage désiré à la réception. 13) Antenne selon une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce qu'au moins un multiplexeur (MPX1 ... MPX5) est agencé pour recevoir un signal d'émission. 14) Antenne selon une des revendications 2 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de circuits formateurs de faisceaux (FF) présentant chacun une pluralité d'entrées dont chacun est connectée à au moins un transducteur (T) de chaque groupe de transducteurs.