Brevet FR2735873A1 — publié le 19961227

La présente invention se rapporte à un loch Doppler à précision améliorée. Un loch acoustique permet de mesurer la vitesse d'un véhicule porteur par rapport à une surface de référence, généralement le fond d'une étendue d'eau, sur laquelle le signal est réfléchi. On émet une impulsion sinusoïdale de durée T et de fréquence fO. L'écho est reçu à la fréquence 2V fO. + f, f étant le décalage Doppler en fréquence, tel que f = C sin 00. fO c et dont la mesure permet d'obtenir V, 80 étant la direction du faisceau par rapport à la verticale et f0 la fréquence centrale d'émission, et C la vitesse des ondes émises dans le milieu marin. Cependant, du fait de l'ouverture Aû du faisceau autour de 80, on a un étalement de la mesure de vitesse qui vaut AV = AO Pour les tgeo valeurs généralement admises AO = 30 et Oo = 300, on obtient 9%, v une telle erreur relative sur la vitesse étant un inconvénient certain de ce loch connu. Pour réduire l'étalement angulaire de l'écho du fond reçu à un instant, il est connu d'augmenter la résolution temporelle de l'impulsion émise, égale à 1/B pour une impulsion de largeur de bande B, de telle sorte que la case distance sur le fond soit plus petite que la zone insonifiée délimitée par le lobe principal de directivité de l'émission. La résolution en fréquence Doppler est égale à 1fur. Dans les lochs Doppler existants on utilise généralement une impulsion sinusoïdale. On a donc BT = 1, et l'élargissement de la bande pour permettre de séparer plusieurs cases distances à l'intérieur du faisceau de mesure conduit à diminuer T et donc à perdre en résolution Doppler, c'est-à-dire en précision sur la mesure du décalage Doppler faite sur chaque case distance. II est connu en radar et en sonar d'utiliser des codes à grand produit BT et à bonne ambiguïté temps-fréquence, c'est-à-dire tels que la résolution en fréquence Doppler des échos soit 1/T et la résolution des temps d'arrivée soit 1/B avec BT > > 1. Avec un tel code à l'émission, on peut mesurer simultanément avec une bonne précision la distance et la vitesse par rapport aux réflecteurs. La présente invention a pour objet un procédé de mesure à l'aide d'un loch Doppler présentant une erreur relative de mesure de vitesse nettement inférieure à celle du loch connu. Le loch Doppler conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un émetteur comprenant des circuits générateurs d'impulsions modulées de largeur de bande B et de durée T telles que le produit B.T soit nettement supérieur à 1, ces impulsions étant modulées de façon à avoir simultanément une résolution Doppler de 1/T et une résolution en temps égale à 1/B, et au moins un récepteur dont l'antenne comprend au moins deux transducteurs alignés en vue de mesurer simultanément la fréquence Doppler et la direction d'arrivée en site de l'écho du fond.Selon une autre caractéristique de l'invention, le même réseau linéaire de transducteurs est utilisé pour émettre un faisceau sonore en direction du fond et recevoir l'écho du fond, L'émission étant obtenue par excitation en phase des transducteurs avec la même impulsion, et la réception étant effectuée séparément sur chaque transducteur. II est également caractérisé par le fait que la largeur de bande B est telle qu'il y a plusieurs cases distances de largeur c/2B à l'intérieur de la zone insonifiée de sol délimitée par le lobe principal de directivité du faisceau d'émission. Le procédé de mesure de vitesse d'un véhicule par rapport à une surface de référence à l'aide d'un loch Doppler, est caractérisé en ce que le loch reçoit les signaux sur au moins deux transducteurs, et que ces signaux sont traités selon les étapes suivantes: - à chaque instant d'échantillonnage (T): - estimation d'un décalage Doppler f(X) et d'un angle d'arrivée 8(T) - mesure de la vitesse V(T) - à chaque récurrence: - sélection des valeurs de V(T) qui correspondent aux instants (T) des cases distances à l'intérieur de la zone de sol insonifiée délimitée par le lobe principal du faisceau d'émission - calcul d'une valeur unique V à partir des mesures sélectionnées. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un diagramme montrant les relations géométriques du faisceau émis par une antenne conforme à l'invention, et - la figure 2 est une vue simplifiée des transducteurs d'un récepteur de loch Doppler conforme à l'invention. Pour mesurer la vitesse à l'aide d'une émission sonar émise selon un axe Ox, on utilise des antennes dont les axes de visée sont dans le plan Oxz (Oz étant la verticale) et symétriques par rapport à la verticale avec laquelle ils forment chacun un angle de valeur 8o connue égale à 30 (voir figure 1). Chaque antenne émet une impulsion et reçoit l'écho correspondant du fond à l'intérieur d'un faisceau acoustique de faible ouverture, typiquement quelques degrés (ce faisceau correspond au lobe principal de directivité de l'antenne). Cette configuration est classique et connue sous le nom de "Janus" dont le principe est exposé par exemple dans la demande de brevet français 93 10389. L'invention réside dans la constitution de chaque antenne, la nature du signal émis par chacune, et la façon dont on obtient une mesure des vitesses par récurrence pour chacune des deux antennes. On considère donc dans la description qui suit une seule antenne, cette description s'appliquant de façon identique à l'autre. Dans la réalisation préférée l'antenne est constituée de N=2 transducteurs de longueur proche de L/2, L étant la longueur de l'ensemble, comme représenté sur la figure 2. A l'émission les deux transducteurs sont excités en phase par le même signal qui est une impulsion s(t) ayant une bonne ambiguïté temps-fréquence. La largeur angulaire du faisceau (angle au sommet dans toutes les directions) à 3 dB d'atténuation du maximum est telle que 118 = AJL. Dans la réalisation préférée il s'agit d'une impulsion à modulation binaire de phase: s(t) = cos (27tfot) * y(t) avec La fonction rT(t) vaut 1 pour i t i Dans un exemple, K=50, T= 100 Ps, B=10 kHz, T=10 ms. A la réception, les signaux x1 (t) et x2 (t) des deux transducteurs sont reçus séparément, échantillonnés à la fréquence fe > B, B étant la bande de réception, B = 15 kHz dans un exemple. Ils sont reçus à l'intérieur d'une fenêtre temporelle [#min, #max], dite fenêtre de poursuite de fond, qui contient l'écho de la zone du fond interceptée par le faisceau d'émission selon une technique connue.Pour chaque instant d'échantillonnage # à l'intérieur de cette fenêtre, correspondant à la case distance R=c/2, le traitement des signaux suit les étapes suivantes: Estimation de f (#) et # (#): XT,l(t) = x1(t)0.y(t - T) - on forme les signaux et XT,2(t) = x2(t)0.y(t 'r) - on calcule les transformées de Fourier complexes XT 1 (f), XT,2 (f) respectivement de X#,1 (t) et X#,2 (t). Elles sont égales aux valeurs à l'instant du maximum de corrélation de la sortie du filtre adapté à l'impulsion émise ayant subi un décalage Doppler f-fO et un retard de propagation T. - on détermine f(T) à partir de la somme des modules des deux spectres B(#,f) = |X#,1 (f)| + |X#,2 (f)| au moyen de la relation: on détermine #(#) au moyen de la relation: Ce moyen d'estimation n'est donné qu'à titre d'exemple, car il y a d'autres façons connues d'estimer f(T) et 8(T) à partir de X1 (t) et x2(t). Calcul de V(T): On calcule V(T) au moyen de la relation: Cf(#) 1 V(#) = 2 sin #(#).fo Calcul de V On obtient à chaque récurrence autant de mesures indépendantes V(T) de la vitesse du porteur par rapport au fond qu'il y a de cases distance à l'intérieur du faisceau, soit, sur un fond plat, un nombre approximativement égal à: ##.R.tg#0 M= (cf fig. 1) C/2B Cette dernière étape consiste à obtenir une seule mesure de V à partir des M mesures de V(T). Pour cela, on compare à chaque instant d'échantillonnage T le niveau A(T, f(X)) du signal, qui correspond au faisceau formé dans l'axe après filtrage adapté, à un seuil. On ne retient que les mesures aux instants #1, , T tels que le niveau soit supérieur au seuil. Puis on détermine parmi ces instants les instants consécutifs T min. Ti max tels que ## ## et#0 - - # 0(#i) # #o + - pour imax # i # imin 2 2 S'il existe plusieurs couples d'indices min, imax satisfaisant les relations ci-dessus, on retient le couple tel que soit maximal. Dans la réalisation préférée, on prend A(#, f(#)) = |X#,1(f(#)) + X#,2 (f(#))| I La vitesse V est calculée par la relation: REVENDICATIONS 1 - Loch Doppler caractérisé en ce qu'il comporte au moins un émetteur comprenant des circuits générateurs d'impulsions modulées de largeur de bande B et de durée T telles que le produit B.T soit nettement supérieur à 1, ces impulsions étant modulées de façon à avoir simultanément une résolution Doppler de 1fr et une résolution en temps égale à 1/B, et au moins un récepteur dont l'antenne comprend au moins deux transducteurs alignés (2, 3), en vue de mesurer simultanément la fréquence Doppler et la direction d'arrivée en site de l'écho du fond. 2. Loch Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce que le même réseau linéaire de transducteurs est utilisé pour émettre un faisceau sonore en direction du fond et recevoir l'écho du fond, L'émission étant obtenue par excitation en phase des transducteurs avec la même impulsion, et la réception étant effectuée séparément sur chaque transducteur 3. Loch Doppler selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les impulsions sont modulées par une séquence pseudo-aléatoire de nombres valant 1 ou -1. 4. Loch Doppler selon la revendication 3, caractérisé en ce que la séquence est un code de Barker. 5. -Loch Doppler selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur de bande B est telle qu'il y a plusieurs cases distances de largeur C12B à l'intérieur de la zone insonifiée de sol délimitée par le lobe principal de directivité du faisceau d'émission, C étant la vitesse des ondes dans le milieu de propagation. 6 - Procédé de mesure de vitesse d'un véhicule par rapport à une surface de référence à l'aide d'un loch Doppler selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que les signaux reçus sont traités pour chaque instant d'échantillonnage (T) selon les étapes suivantes: - estimation d'un décalage Doppler f(T) et d'un angle d'arrivée 8(T) - mesure de la vitesse V(T), et pour chaque récurrence: - sélection des valeurs de V(T) qui correspondent aux instants (T) des cases distances à l'intérieur de la zone de sol insonifiée délimitée par le lobe principal du faisceau d'émission - calcul d'une valeur unique V à partir des mesures sélectionnées. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vitesse V(X) est calculée par la relation: Cf(#) 1 V(#) = 2 sin #(#).fo dans laquelle C est la vitesse des ondes dans le milieu de propagation, et fo la fréquence de l'onde émise.