Brevet FR2727520A1 — publié le 19960531

SYSTEME PASSIF DE DETECTION DE TORPILLES L'objet de la présente invention est un système acoustique de détection passive de torpilles. Ce système est monté sur un bateau de surface de moyen ou gros tonnage en particulier non équipé de système de détection acoustiques, et est destiné à détecter des torpilles sur tout l'horizon, et dans un rayon de quelques kilomètres, c'estdire en zone proche. La fréquence d'écoute est de quelques centaines de Hz. Ce système est particulièrement étudié pour être opérationnel sur les fonds océaniques. Dans le domaine de la lutte anti sous-marine, un dispositif de surveillance pour torpilles doit permettre de détecter, classifier, localiser les torpilles ennemies avec un faible taux de fausse ahrme à une distance suffisante pour permettre au bateau de parer à la menace. Un ordre de grandeur de la distance minimum de détection est de 5 km et 100 secondes le délai minimum de préavis. De manière générale les sytèmes passifs sont préférés aux systèmes actifs car leurs émissions sonores peuvent être utilisées comme moyen de guidage par les torpilles ennemies. Les systèmes de détection de torpilles connus utilisent un sonar passif. Les systèmes existants utilisent l'antenne du sonar passif monté sur le bateau. Ce sonar est soit un sonar de coque, soit un sonar remorqué. Dans le cas d'un sonar de coque, un inconvénient important provient du masquage arrière par les hélices qui empêche une surveillance sur 360-. Un wtre inconvénient est la limitation de portée due à des conditions bathythermiques défavorables, par exemple l'été en méditerranée. Le sonar remorqué pallie ces deux inconvénients mais a d'importantes contraintes d'installation et de mise en oeuvre. Le dispositif suivant l'invention a l'avantage de permettre une surveillance sur tout l'horizon sans nécessiter une antenne remorquée. L'antenne passive a son plan parallèle à la surface dEe la mer et les torpilles, détectées par réflexion sur le fond de h mer, sont repérées en gisement et en distance par formation de voies angulaires très inclinées vers le fond de la mer. Brièvement c'est un système de détection passive panoramique de bruiteurs, notamment de torpilles pour bateaux quil comporte une antenne de réception, des moyens de traitement des signaux reçus par les hydrophones composant l'antenne permettant de localiser le bruiteur par les ondes acoustiques émises par ces bruiteurs réfléchies sur le fond de la mer et reçues par cette antenne. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: - figure 1, une vue schématique d'un sonar passif avec formation de voies; - figure 2, une vue d'une antenne circulaire comportant des transducteurs disposés suivant des mailles; - figures 3 et 4, une vue en élévation et une vue de dessus des zones d'interception du système, suivant l'invention; - figure 5, un exemple de chaîne de traitement et de visualisation du système, suivant l'invention. La figure 1 représente un exemple de réalisation de l'antenne d'écoute passive 10, du système de surveillance suivant l'invention. Cette antenne 10 est montée dans la coque 1, d'un bateau de surface généralement de grand tonnage. Audessus de Pantenne on place un réflecteur 16. On a représenté, à titre d'exemple, une antenne plane formée d'un réseau de transducteurs-récepteurs ou hydrophones. L'intervalle entre l'antenne 10 et h coque 1 est rempli huile ou d'eau de mer pour assurer la transmission acoustique. L'antenne peut également être incurvée pour épouser le fond du bateau et former ainsi une antenne dite conforme. Suivant la réalisation préférée, l'antenne 10 est formée d'un réseau plan d'hydrophones 1 1 de forme circulaire et tel que quatre hydrophones adjacents H. sur la figure 2, forment une maille carrée de côté égal à )r/2, h étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'écoute, une disposition en quinconce peut également être utilisée. Les signaux acoustiques reçus par tous les hydrophones sont traités de manière connue dans un ensemble de circuits pour former des voies. Ces voies ont des directions très inclinées vers le fond et sont formées simultanément. Leur nombre est fonction de la zone de surveillance à couvrir. Le lobe de rayonnement 12 d'une voie préformée peut être repéré par ses coordonnées sphériques Cp (gisement de Paxe 23, projection de l'axe du lobe sur le plan horizontal) et Oc (inclinaison de l'axe du lobe par rapport à la verticale). Son ouverture à -3 dB est définie par les largeurs angulaires orthogonales 9 et 4. Sur la figure 3 on a représenté schématiquement le secteur angulaire délimité par une voie en coupe transversale. On a supposé pour simplifier une propagation rectiligne des deux rayons sonores extrêmes 21 et 22. Un bruiteur 30 situé dans ce secteur est détecté par le bateau après une seule réflexion sur le fond de la mer 31. En supposant le bateau immobile, sur un fond donné de hauteur H chaque secteur couvre une zone Zv à l'immersion I du bruiteur tel que représenté sur la figure 4 en vue de dessus. Cette zone a la forme d'une ellipse dont les axes d1 et d2 se déduisent des largeurs angulaires fl et t pour un angle d'inclinaison oc donné. Si D est le diamètre de l'antenne de réception 10 les largeurs angulaires Q1 et t sont respectivement égales à environ #D et 1 égales NID > /Dcos cC. Par des considérations géométriques simples, on obtient: d1 = ssl (2H - I)/cos oC On forme autant de voies qu'il est nécessaire pour couvrir une zone de surveillance de rayon R sur 360- en gisement. La zone 13 en aplomb du bateau n'est pas couverte du fait des mauvaises conditions de réception dû au bruit propre rayonné par le bateau et réfléchi sur le fond à la verticale. A une zone v couverte par une voie correspond une distance Rv connue à + d2/2 près. I1 est donc possible avec ce système d'évaluer les distances R v pour l'ensemble des voies et donc de déterminer la distance d'un bruiteur. La figure 5 montre, à titre d'exemple, un schéma des chaînes de traitement et de la visualisation, suivant l'invention. Les signaux sl, ... si ... sN reçus par les hydrophones H1, ... Hi, sont HN, sont appliqués à des circuits de filtrage 51 fournissant ks signaux filtrés S1, ... Si, ... qui sont appliqués à des circuits de formation de voies 52. On forme ainsi K voies en site avec L valeurs en gisement. Cette formation de KL voies V1,... VPQ, ... VKL est obtenue de facon connue par compensation des retards géométriques pour chaque voie. Ces retards # pour une voie VPQ de coordonnées sphérique &alpha;P et #Q dépendent de la position de l'hydrophone Hi.Si l'antenne est plane U dépend des coordonnées xi et yi de l'hydro- I I phone Hi (figure 2). Les signaux d'hydrophones filtrés Si sont par exemple écrêtés et les voies formées, suivant une technique connue à partir de mémoires numériques dans lesquelles on vient écrire et lire les échantillons des signaux d'hydrophones échantillonnés et multiplexés, les adresses de lecture étant fonction des retards gémis triques. En plus du filtrage, les signaux des hydrophones sont pdérés en amplitude, de manière à abaisser les lobes secondaires du diagramme de rayonnement dans le plan vertical, à un niveau tel que les signaux acoustiques reçus par le trajet direct soient suffisamment atténués vis-à-vis des signaux reçus par les trajets refit chois sur le fond, ce qui contribue à élargir légèrement #2. Les signaux de voies V sont détectés puis intégrés dans des circuits S.P. Le temps d'intégration Tp est adapté au temps de séjour de la torpille dans chaque voie, il peut atteindre plusieurs dizaines de secondes ce qui conduit à stabiliser les voies préformées en roulis, tangage et lacet. La table des retards à corriger doit être entre tenue par un calculateur recevant les informations de cap et de verticale du bateau. L'ensemble des signaux de voies traités est envoyé sur un dispositif de visualisation 55, où les bruiteurs sont représentés en coordonnées polaires, le rayon correspondant à h distance Rp du bruiteur et l'angle polaire à l'angle d'azimuth Cette représentation est appelée P.P.I. dans la littérature angkF saxonne. Le niveau de brillance à l'affichage est proportionnel à l'amplitude. Un calculateur 54 fournit les valeurs de Rp et de Tp en fonction de l'angle d'inclinaison oC p de la voie correspondante et de la hauteur des fonds H dont la valeur est fournie en permanence par un sondeur acoustique 53.Le calculateur 54 recevant la valeur de la profondeur H et la valeur otp de l'angle de site calcule Rp d'après la relation: Rp = 2 H tg oCp et le temps d'intégration Tp, appliqué aux circuits d'intégration tels aue 5.P d'agrès la relation (1) où V est la vitesse moyenne estimée d'une torpille et ou dans la géométrie considérée, on a négligé I devant 2H.. Le système suivant l'invention présente l'avantage d'etc de révolution et de ne requérir qu'à des moyens classiques en technique de sonar passif. De plus, il fournit la distance des bruits. Les angles d'incidences étant grands par rapport à hri- zontale, la courbure des rayons sonores est peu importante et ks variations de propagation dues aux conditions bathythermiques sont faibles. Le choix de la fréquence centrale du sytème permet aux ondes ultrasonores de traverser la coque du bateau et donc de placer les hydrophones à l'intérieur de celle-ci. Pour cela l'épaisseur de la coque doit être très faible vis-à-vis de la longueur d'onde ultrasonore dans la coque. Des fréquences de l'ordre de quelques centaines de Hz con- viennent. A titre d'exemple, une coque d'acier de 3 cm d'épaisseur représente 6/1000 de la longueur d'onde à la fréquence de 1000 Hz. En outre une fréquence centrale de fonctionnement pas trop élevée limite les pertes de propagation par absorption et par réflexion sur le fond. Typiquement la fréquence centrale d'écoute sera de 1000 Hz. Aux fréquences basses le bruit de trafic lointain se propageant à l'horizontale, il ne vient pas gêner la détection par suite du faible niveau des lobes secondaires. Pour déterminer la portée du dispositif suivant l'invention, on utilise "I'équation sonar" en décibels pour un sonar passif, avec les notations internationales. Cette equation fournit les pertes de transmission admissibles TL par la relation : TL = SL + #F + 5 log (WT) - NL + DI- DT oô, SL est le niveau spectral d'émission du bruiteur, PF l'index de réflexion sur le fond, W est la bande passante, T le temps d'inté- gration, NL la densité spectrale du bruit ambiant, M lrmdex de directivité à la réception et DT le seuil de détection correspondant au couple de probabilité de détection et de fausse alarme souhaité. A titre d'exemple, on a les données suivantes: - fréquence centrale d'écoute: 1000 Hz - antenne circulaire de 10m de diamètre contenant emiron 180 capteurs et dont l'index de directivité est DI = + 26 dB - bande de réception W = 750 Hz - durée d'intégration T = 10 sec - niveau de bruit NL = + - niveau de source SL = + - coefficient de réflexion g F = -12 dB - seuil de détection DT = + 8 dB correspondant à une probabilité de détection PD = 0,9 et un taux de fausse alarme global de une alarme par heure. L'équation sonar donne pour TL égal environ 80 dB ce qui correspond à un parcours de 10000 m. Pour un fond de 3500 m cela correspondrait à une inclinaison du trajet réfléchi de 46- par rapport à la verticale et à une portée horizontale de 7100 m. A une telle distance le temps de séjour dans la voie dune torpille naviwt à SO noeuds est de 150 secondes tandis qu'à faible distance le temps de séjour de la torpille dans une voie est de 50 secondes toujours par fond de 3500 m. Les largeurs angulaires en degrés à demi-puissance en site et en gisement #1 et #2 sont égales pour cet exemple numérique à 9- et à 9 /cos &alpha;p. Dans ces conditions on couvre 360- en gisement en formant 40 voies en gisement pour 4 valeurs de dp variant de 20 à 70 . A chacune de ces couronnes de 40 voies correspond L temps drmté- gration Tp adapté au temps de séjour de la torpille dans le lobe, donc variant avec l'angle ocp et la profondeur du fond, suivant h relation (2). La plage de fréquences de réception s'étend de 750 à 1500 Hz, les hydrophones sont par exemple échantillonnés toutes les 32 us, ce qui permettra une compensation des retards géométriques à + 16 garantissant de faibles niveaux des lobes secondaires. Le système est avantageusement complété par un système d'alerte automatique, non représenté, fonctionnant par dépas- sements de seuils au niveau des signaux de voies V . fl permet d'éviter la présence permanente d'un opérateur. REVENDICATIONS 1. Système de détection passive panoramique de bruiteurs, notamment de torpilles pour bateaux, caractérisé par le fait queil comporte une antenne de réception (10), des moyens de traitement des signaux reçus par les hydrophones (Hi) composant Pantenne (10) permettant de localiser les bruiteurs par les ondes acoustiques émises par ces bruiteurs, réfléchies sur le fond de la mer (31) et reçues par cette antenne (10). 2. Système de détection suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de traitement des signaux reçus (Si) par les hydrophones (Hi) comportent des circuits de formations de voies (S2) dont les directions moyennes sont très inclinées vers le fond. 3. Système de détection suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'antenne (10) est plane et circulaire. 4. Système de détection suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les hydrophones (Hi) forment une maille de c8té sensiblement égale à 2, où , est la longueur d'onde dans le milieu de propagation à la fréquence centrale d'écoute. 5. Système de détection suivant h revendication 1 ou 2, caractérisé par k fait que l'antenne (10) est montée à l'intérieur de la coque (1) du bateau. 6. Système de détection suivant h revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'antenne est conforme. 7. Système de détection suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de formation des voies (S2) comportent des circuits de pondération des signaux d'hydrophones (Si) de manière à limiter k niveau des lobes secondaires de la directivité de chaque voie à une valeur telle que la détection ne soit pas g & e par le trajet direct des ondes acoustiques en provenance du bruiteur. 8. Système de détection suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que des moyens de visualsation (sus) fournissent une représentation des bruiteurs dans le plan azimuth-distance, la dis tance étant obtenue à partir de l'angle d'inclinaison des voies et par un circuit de calcul (54). 9. Système de détection suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les signaux de voies sont intégrés sur une durée correspondant au temps de séjour moyen d'une torpille dans une voie formée, la valeur de cette durée TP étant fournie par un calculateur (54) à partir d'une valeur estimée de la vitesse d'une torpille, de la hauteur du fond, de la valeur de l'angle d'inclinaison de la voie et de la largeur angulaire de la voie dans le plan vertical 10. Système de détection suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence centrale d'écoute est égale à quelques centaines de Hz. 11. Système de détection suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un système d'alerte automatique par dépassement de seuils au niveau des signaux des voies.