Brevet FR2743149A1 — publié le 19970704

SYSTEME SONAR BISTATIQUE. La présente invention se rapporte aux systèmes sonars bistatiques dans lesquels on utilise un système d'émission séparé du système de réception. Ces systèmes sont particulièrement utilisés avec des véhicules marins différents, I'un qui comporte le système d'émission et l'autre qui comporte le système de réception, afin de pouvoir séparer ceux-ci d'une distance beaucoup plus grande que la longueur du plus grand des bâtiments porteurs, Ceci permet également le cas échéant de sacrifier l'un des véhicules porteur, le plus petit et le moins cher de préférence. Un pareil système est particulièrement indiqué pour pouvoir repérer les objets situés sur le fond de la mer, notamment les mines sous-marines. Il est connu du brevet US n" 4 561 076, un système de sonar bistatique dans lequel un véhicule sous-marin de petites dimensions navigue à l'avant et sur le côté d'un bateau de plus grandes dimensions en étant relié à celui-ci par un fil. Ce véhicule émet latéralement un faisceau sonar fin dont les échos sont reçus par une antenne multi-lobes situées dans l'étrave du bâtiment conducteur. Le câble reliant le véhicule sous-marin au bâtiment conducteur permet de transmettre au véhicule des informations de navigation, et éventuellement de réglage du sonar d'émission, et inversement de transmettre vers le bâtiment conducteur des informations concernant les signaux sonar émis, en particulier l'instant d'émission. La liaison filaire entre le véhicule et le bâtiment présente des complications et des coûts évidents, tant pour la fabrication que pour l'exploitation. Par ailleurs l'utilisation d'une antenne multi-lobes est compliquée et l'obligation de faire naviguer le véhicule sur une trajectoire située sur le côté du bateau amène des difficultés opérationnelles. La demanderesse a décrit et revendiqué dans une demande de brevet français n" 91 08608 déposée le 9 juillet 1991 et délivrée le 24 septembre 1993 sous le n" 2 679 040 un système dans lequel un véhicule sous-marin autonome navigue à l'avant d'un bateau principal selon une trajectoire recoupant celle du bateau. Ce véhicule comporte un sonar d'émission multi-voies frontal dont les échos sont reçus par un sonar de réception situé sur le bateau à l'aide d'une antenne formant un lobe de réception large orientable. Ce système présente l'inconvénient d'obliger à placer un sonar d'émission multi-voies, chaque émission étant codée, donc cher et compliqué, dans le véhicule autonome et nécessite de connaître les positions relatives entre le véhicule et le bateau à l'aide de moyens distincts, eux-mêmes difficiles à mettre en oeuvre. En outre il faut pouvoir contrôler au moins de manière approchée la trajectoire du véhicule autonome, ce qui n'est pas facile. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un système sonar bistatique pour la visualisation de l'espace sous-marin du type comprenant un véhicule sous-marin muni d'au moins un émetteur sonar, et un bâtiment naval principal naviguant à l'arrière du véhicule sous-marin pour recevoir directement les échos des signaux émis par cet émetteur sonar, ce véhicule sous-marin naviguant devant le bâtiment naval sensiblement dans la direction de la ligne de foi de celui-ci sans utiliser de moyens de liaison filaire avec ce bâtiment, principalement caractérisé en ce que les moyens d'émission sonar du véhicule comprennent au moins deux antennes destinés à insonifier le milieu marin à droite et à gauche de l'axe longitudinal de ce véhicule à la manière d'un sonar latéral en émettant des signaux séparables entre la gauche et la droite à la réception, et en ce que le bâtiment naval comporte une antenne de réception frontale permettant de former une voie unique de réception dirigée selon l'axe de la ligne de foi du bâtiment, et qu'il comporte en outre des moyens pour séparer les échos correspondant. Selon une autre caractéristique, les moyens permettant de séparer les échos correspondant fonctionnent par filtrage de ces fréquences. Selon une autre caractéristique, pour guider le véhicule à partir du bâtiment, on utilise un émetteur acoustique dirigé vers le véhicule pour transmettre à celui-ci des signaux de guidage, et le véhicule comprend un réflecteur acoustique pour renvoyer ces signaux de guidage vers le bâtiment afin de permettre à celui-ci de localiser ce véhicule. Selon une autre caractéristique, pour guider le véhicule à partir du bâtiment, ce bâtiment comprend un réflecteur acoustique dirigé vers I'avant et le véhicule un émetteur acoustique dirigé vers l'arrière et un récepteur d'écartométrie lui-même dirigé vers l'arrière pour recevoir les signaux réfléchis par le bâtiment à partir des signaux émis par le véhicule et commander le recalage du véhicule sur la ligne de foi du bâtiment. Selon une autre caractéristique, le bâtiment naval est un sousmarin et les émetteurs acoustiques du véhicule sont prévus pour que celui puisse naviguer à une distance de sécurité suffisante à l'avant du sousmarin en effectuant uniquement une détection des obstacles dans une zone de sécurité qui l'entoure. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue schématique en plan du véhicule sous-marin et du bateau principal ainsi que des lobes des signaux émis et reçus; - la figure 2, une vue schématique de côté de ces mêmes moyens; et - la figure 3, une vue schématique en coupe d'une variante du véhicule utilisée pour guider un sous-marin. Sur la figure 1, un véhicule sous marin autonome 101 navigue à une distance D à l'avant et sur la ligne de foi axe de la trajectoire d'un bateau principal 102 destiné à exploiter les mesures et les images délivrés par le système. Les moyens permettant la navigation du véhicule 101 seront décrits plus loin dans le texte. Ce véhicule comprend un émetteur sonar 103 qui permet d'émettre par l'intermédiaire de deux antennes latérales 104 et 105 des faisceaux sonar 106 et 107 formant deux lobes étroits perpendiculaires à la trajectoire du véhicule et inclinés vers le fond. Ces faisceaux sonar d'émission sont à deux fréquences distinctes fl à babord et f2 à tribord. Compte tenu de ces caractéristiques, en particulier de l'altitude du véhicule par rapport au fond sous marin et de l'inclinaison des faisceaux sonars, les signaux émis viennent insonifier le fond sous marin tout d'abord en dessous et sensiblement à l'aplomb du véhicule. Les points d'impacts, représentés sur la figure par les petits segments 108 et 109 viennent ensuite balayer le fond sous marin selon deux segments correspondants à I'intersection des faisceaux 106 et 107 avec le fond. Compte tenu de l'avancement du véhicule ces segments sont en fait légèrement courbés mais pour le besoin du raisonnement on les a représentés selon des segments de droite, ce qui est justifié compte tenu de la faible vitesse d'avancement et de la largeur des lobes. Le cas échéant, on pourrait tenir compte de cette courbure dans le traitement des signaux, d'une manière connue. Compte tenu des différentes caractéristiques du système, en particulier de la puissance et de la fréquence d'émission et du gain de réception, on peut définir une portée utile P pour laquelle le signal de réception est exploitable dans la plupart des circonstances . Au delà de cette portée utile les échos du signal sonore sur le fond existent toujours mais ne peuvent plus être exploités de manière suffisamment fiable. Dans ces conditions les signaux sonores émis par le véhicule sous-marin sont émis avec un intervalle de récurrence Tr qui correspond à une distance Pr = C x Tr (C = vitesse du son dans l'eau) qui est supérieure à P de telle manière qu'il n'y ait pas dans la portée utile d'échos provenant de deux récurrences successives. Le bateau principal 102 comporte un système de réception muni d'une antenne 110 déterminant un lobe d'écoute 111 dirigé vers l'avant du bateau. La largeur de ce lobe d'écoute est telle qu'il permet de recevoir les échos provenant du fond sous-marin dans la portée utile P de part et d'autre de l'axe commun au véhicule et au bateau et qu'il permet de rejeter avec une atténuation suffisante, -20 décibels par exemple, les échos correspondant éventuellement à des récurrences antérieures et provenant donc du fond sous-marin situé au delà de la distance Pr de part et d'autre de cet axe. L'antenne 110 reçoit donc les échos aux fréquences f1 et f2. Ceux-ci sont séparés dans le système de réception formé par exemple de deux récepteurs 112 et 113 accordés sur f1 et f2. Ces récepteurs délivrent donc respectivement des signaux bâbords et des signaux tribords correspondant aux signaux reçus à bâbord et à tribord de l'axe commun au véhicule et au bateau. Compte tenu de la faible largeur des lobes 106 et 107, la localisation de l'endroit d'émission de ces signaux sur le fond sousmarin est obtenu par l'instant d'arrivée sur l'antenne 110. Les faisceaux 106 et 107 balayant le fond sous-marin au fur et à mesure que le véhicule 101 et le bateau 102 avancent de conserve, il est donc facile de reconstituer par des moyens connus une imagerie de ce fond sous-marin. Pour augmenter les performances du système il est utile, comme représenté sur la figure 2, d'orienter l'axe du lobe 111 vers la trace des faisceaux 106 et 107 sur le fond sous-marin 114, en limitant l'ouverture de ce lobe à une valeur OS permettant d'encadrer l'ouverture 8Y de cette trace en fonction de la vitesse d'avance du bateau, qui correspond à une variation AD de la distance D. Ceci permet en particulier de limiter les trajets multiples, lesquels proviennent essentiellement des réflexions sur la surface 115 de la mer. On peut calculer que pour une ouverture 8Y de I m et une récurrence de 0,33 seconde la vitesse maximale du système pour ne pas avoir de confusion dans les signaux de réception est de sensiblement 6 noeuds, ce qui correspond tout à fait aux valeurs couramment utilisées pour l'exploitation d'un tel système. Le système ainsi décrit étant à géométrie déformable, on pourrait craindre que la distorsion des images entraînées par cette géométrie puisse entraîner une confusion entre deux cellules adjacentes, lesquelles correspondent de manière connue à la résolution permise par la durée des impulsions émises. En fait le calcul montre que ce risque est tout à fait négligeable. II est également utile de comparer les performances en ce qui concerne la dynamique des signaux d'un tel système bistatique à celles d'un système monostatique, c'est à dire d'un système ou l'émission sonar est faite à bord du bateau principal lui-même. Le calcul en prenant P=500 mètres et D= 500 mètres montre qu'on obtient un gain en dynamique en faveur du système bistatique de 23 décibels en ce qui concerne le niveau des échos, et de 44 décibels en ce qui concerne le niveau de réverbération, ce qui est tout à fait considérable. Le système ainsi décrit suppose que la trajectoire commune au véhicule et au bateau principal est celle souhaitée, ce qui ne pose pas de difficultés à priori en ce qui concerne le bateau qui est directement barré par l'équipage, mais est plus difficile à obtenir pour le véhicule sous-marin, qui est autonome. Une première solution consiste à utiliser des signaux émis par le véhicule et reçus par le bateau pour diriger le bateau de manière à ce qu'il suive la trajectoire du véhicule. Ceci peut se faire facilement de manière connue en utilisant par exemple une technique monopulse permettant de former un lobe présentant un zéro de directivité sur l'axe du bateau et à corriger la direction de celui-ci de manière à maintenir ce zéro sur les signaux reçus. Comme ces échos proviennent des réflexions sur le fond sous-marin et s'étendent donc de chaque côté du véhicule sur la distance P, on sera conduit à traiter le signal en réception de manière à se limiter aux signaux correspondants au début de la récurrence.Si toutefois le volume des signaux obtenus dans ce créneau temporel était trop faible on pourrait alors munir le véhicule sous-marin 101 d'une antenne acoustique dirigée vers l'arrière. et pouvant être soit alimentée directement par l'émetteur 103 avec un niveau suffisamment faible pour ne pas aveugler le récepteur à bord du bateau principal 102, soit utiliser le petit émetteur spécifique de type connu sous le nom anglo-saxon "PINGER" . La navigation du bateau étant ainsi asservie sur celle du véhicule sous-marin, il est nécessaire que celui-ci suive la bonne trajectoire. Dans ce but on peut par exemple programmer à l'avance cette trajectoire en l'enregistrant dans une mémoire adéquate permettant d'agir sur les gouvernes du véhicule en fonction des indications d'un système de navigation contenu dans ce véhicule. Une autre solution consiste à émettre depuis le bateau vers le véhicule des signaux acoustiques permettant de modifier la trajectoire de ce dernier à volonté. Compte tenu de la faible vitesse de l'ensemble et de la stabilité du véhicule, on peut se permettre d'effectuer une transmission n'apportant que les corrections de trajectoire à des instants relativement brefs et distants, ce qui assure une discrétion suffisante, tout au moins dans la cas d'un bateau de surface. II faut également connaître la distance entre le véhicule et le bateau pour pouvoir effectuer le traitement correct des signaux et maintenir cette distance aussi constante que possible. Pour cela on peut par exemple utiliser des horloges synchrones portées par le véhicule et le bateau. Il existe actuellement des modèles d'horloges suffisamment stables sous une petite taille et un faible cout. Une autre solution consiste à installer un émetteur spécialisé sur le bateau principal 102, qui émet un lobe relativement étroit selon l'axe de ce bateau. Un récepteur, du type monopulse par exemple, installé sur le véhicule 103 permet de déterminer l'écart du bateau par rapport à l'axe du véhicule et d'agir en conséquence sur les gouvernes de celuici pour le replacer sur cet axe. De cette manière, en faisant évoluer le bateau le véhicule suivra automatiquement ces évolutions. Le problème de la mesure et du respect de la distance est là aussi résolu en utilisant des horloges synchrones dans le véhicule et dans le bateau. Pour s'affranchir de l'utilisation d'horloges synchrones, on peut utiliser par exemple un réflecteur placé sur l'arrière du véhicule 103 et qui permet de renvoyer vers le bateau des signaux émis par ce dernier. La distance est alors déterminée par la durée de l'aller et retour de ces signaux. Pour résoudre alors le problème de la direction du véhicule, le plus simple est de coder ces signaux, puisqu'ils existent, avec des instructions de commande des gouvernes et de la vitesse du véhicule. Si cette troisième solution permet de se dispenser d'utiliser des horloges synchrones, elle présente, comme la deuxième, I'inconvénient d'utiliser un émetteur sur le bateau, ce qui permet le repérage de celui -ci. Si cela n'est pas trop gênant dans le cas d'un bâtiment de surface, cette solution est contre-indiquée dans le cas d'un sous-marin, comme cela va être décrit plus loin. Une dernière solution, permettant aussi bien de se passer d'horloge synchrone que de maintenir la discrétion du bâtiment principal, consiste à munir le véhicule 103 d'un émetteur relativement directif dirigé vers l'arrière, du type PINGER par exemple, et à placer sur l'avant du bateau 102 un réflecteur lui-même relativement directif. Dans ces conditions le signal émis par le véhicule vers l'arrière est réfléchi par le bateau vers l'avant et retourne vers le véhicule en insonifiant un espace suffisamment large autour de celui-ci pour qu'il ne risque pas d'en sortir entre les périodes de récurrence de ce signal. Le véhicule 103 est alors muni d'un système de réception qui permet, d'une part de déterminer la distance entre lui-même et le bateau par la mesure de la durée du trajet aller-retour, et d'autre part de déterminer la position du bateau par rapport à l'axe du véhicule. Pour cela on peut utiliser comme décrit dans la première variante, un système du type monopulse. A partir des indications de ce systéme de réception, le véhicule 103 pourra alors déterminer les corrections à apporter à sa trajectoire pour se remettre sur l'axe du bateau en actionnant ces propres gouvemes. Ceci permet alors de diriger ce véhicule depuis le bateau simplement en modifiant la trajectoire de celui-ci, cette trajectoire étant alors automatiquement rattrapée par le véhicule. Ce mode de direction du véhicule est particulièrement discret, par ce que l'on peut aussi bien réduire le niveau d'écho que la largeur du lobe de réflexion aux minima nécessaires pour ne pas perdre le véhicule.On peut d'ailleurs remarquer que si le véhicule vient à sortir des limites du faisceau de réflexion, il est toujours possible de réorienter le bateau dans la bonne direction pour rétablir la liaison d'asservissement sur la trajectoire, puisque le bateau continue en principe toujours à recevoir les signaux correspondant à la cartographie du sol émis par le système principal du véhicule 103. Ce dernier mode de réalisation est particulièrement intéressant dans une application particulière du système selon l'invention au guidage des sous-marins. On sait en effet que les sous-marins actuels naviguent à l'immersion la plus grande, le plus longtemps possible et avec la vitesse la plus grande possible, pour ne pas se faire repérer. Dans ces conditions il est très important pour l'équipage du sous-marin de connaître les obstacles qui se trouvent devant afin de pouvoir naviguer sans risque de collision avec le relief du fond sous-marin. L'utilisation des sonars du sous-marin pour détecter ces obstacles est tout à fait possible, mais elle va bien entendu directement à l'encontre de la discrétion nécessaire pour que le sous marin ne se fasse pas repérer. L'invention propose donc d'utiliser un véhicule sous-marin autonome naviguant devant le sous-marin sur la même trajectoire que celuici et de préférence avec une immersion légèrement plus grande variable en fonction des circonstances, de l'ordre de quelques dizaines de mètres . Ce véhicule est du même type que celui décrit ci-dessus, sauf que les sonars qu'il embarque sont prévus pour lui permettre de fonctionner à une vitesse nettement plus grande que celle citée plus haut. Pour cela les fréquences et les périodes de récurrence de ces sonars latéraux seront choisies pour être compatibles avec la vitesse maximale nécessaire, qui dépend de la vitesse maximale souhaitée pour le sous-marin.On est donc amené à sacrifier dans ces conditions certaines performances sur la cartographie proprement dite, mais ceci est de peu d'importance puisqu'en fait il s'agit essentiellement de détecter les obstacles susceptibles d'être dangereux pour le sous-marin, sans prétendre obtenir une image autre que grossière de ces obstacles. Dans ces conditions, le sous-marin suit à la trace le véhicule qui le précède et le guidage de ce véhicule se fera à partir du sous marin par l'une des méthodes vues plus haut, en utilisant de préférence celle dans laquelle le sous-marin est muni à l'avant d'un réflecteur permettant de réfléchir vers le véhicule les signaux de guidage émis par celui-ci. Le rôle de ce véhicule est donc de couvrir une zone de sécurité autour de lui, prenant grossièrement la forme d'un tube, dans laquelle le sous-marin pourra naviguer en toute sécurité. II est clair que le fonctionnement de ce dispositif repose sur l'hypothèse que le fond sous-marin ne présente pas de variations à la fois abruptes et de grande importance. Dans cette hypothèse la réception et le traitement des signaux des sonars latéraux du véhicule "traceur " à bord du sous-marin permettent de déterminer suffisamment à temps les variations de relief dangereuse pour le sous-marin, de telle manière que les modifications de trajectoire de celui, transmises au véhicule par les moyens prévus, permettent à ce dernier d'échapper lui aussi aux obstacles qu'il a "éclairé" et qui ont été détectés à bord du sous-marin.Dans un cas extrême ou cela ne sera pas possible et où le véhicule viendra percuter un tel obstacle, il sera détruit et la distance maintenue entre lui-même et le sous-marin permettra à ce dernier de stopper suffisamment rapidement etlou d'effectuer une manoeuvre d'évitement en catastrophe, par exemple en actionnant alors ses propres sonars, pour éviter d'être lui-même détruit. II n'y a aucune comparaison entre la complexité et le coût d'un tel véhicule et ceux d'un sous-marin et il est tout à fait possible d'embarquer à bord du sous marin un certain nombre de véhicules de ce type, destinés à être sacrifiés le cas échéant. Ces véhicules pourront prendre la forme d'une torpille de manière à être lancés en plongée à partir des tubes lance -torpille du sous-marin. Compte tenu de la navigation dans les trois dimensions du bâtiment, le sous-marin, formant l'autre partie du sonar bistatique dans cette dernière réalisation, on pourra également prévoir en sus des sonars 104 et 105, représentés sur la figure 3 orientés vers le bas comme décrit jusqu'à présent, deux sonars supplémentaires 124 et 125 orientés vers le haut et permettant de définir ainsi un tube de sécurité "complet" à l'intérieur duquel le sous-marin pourra naviguer en sécurité. REVENDICATIONS 1 - Système sonar bistatique pour la visualisation de l'espace sous-marin du type comprenant un véhicule sous-marin (101) muni d'au moins un émetteur sonar (103-105), et un bâtiment naval principal naviguant à l'arrière du véhicule sous-marin pour recevoir directement les échos des signaux émis par cet émetteur sonar, ce véhicule sous-marin naviguant devant le bâtiment naval sensiblement dans la direction de la ligne de foi de celui-ci sans utiliser de moyens de liaison filaire avec ce bâtiment, caractérisé en ce que les moyens d'émission sonar du véhicule comprennent au moins deux antennes (104-105) destinés à insonifier le milieu marin à droite et à gauche de l'axe longitudinal de ce véhicule à la manière d'un sonar latéral en émettant des signaux séparables entre la gauche et la' droite à la réception, et en ce que le bâtiment naval comporte une antenne de réception frontale permettant de former une voie unique de réception dirigée selon l'axe de la ligne de foi du bâtiment, et qu'il comporte en outre des moyens (112,113) pour séparer les échos correspondant. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant de séparer les échos correspondant (112,113) fonctionnent par filtrage de ces fréquences. 3 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour guider le véhicule (101) à partir du bâtiment (102), on utilise un émetteur acoustique dirigé vers le véhicule pour transmettre à celui-ci des signaux de guidage, et que le véhicule comprend un réflecteur acoustique pour renvoyer ces signaux de guidage vers le bâtiment afin de permettre à celui-ci de localiser ce véhicule. 4 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour guider le véhicule à partir du bâtiment, ce bâtiment (102) comprend un réflecteur acoustique dirigé vers l'avant et le véhicule (101) un émetteur acoustique dirigé vers l'arrière et un récepteur d'écartométrie lui-même dirigé vers l'arrière pour recevoir les signaux réfléchis par le bâtiment à partir des signaux émis par le véhicule et commander le recalage du véhicule sur la ligne de foi du bâtiment. 5 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bâtiment naval (102) est un sous-marin et que les émetteurs acoustiques (103-105) du véhicule (101) sont prévus pour que celui puisse naviguer à une distance de sécurité suffisante à l'avant du sous-marin en effectuant uniquement une détection des obstacles dans une zone de sécurité qui l'entoure.