Brevet FR2783329A1 — publié le 20000317

BOUEE ULTRASONORE LARGABLE DE DETECTION DE BRUITEURS MOBILES SOUS-MARINS, ET DISPOSITIF DE LARGAGE AUTOMATIQUE CORRESPONDANT Le domaine de l'invention est celui des bouées de détection de bruiteurs mobiles, et particulièrement de détection de sous-marins. De telles bouées peuvent notamment être larguées depuis un aéronef survolant la zone marine à surveiller. Les signaux émis par les bouées sont ensuite reçus soit par l'aéronef largueur, soit par toute autre station de réception. Un problème se pose avec acuité en acoustique sous-marine: la portée des bouées passives - en particulier lorsqu'elles sont utilisées en barrage, pour détecter des sous-marins silencieux en transit ou en patrouille diminue au fur et à mesure des progrès en silence des sous- marins. Cette tendance conduit, pour garder la même efficacité opérationnelle, à utiliser un plus grand nombre de bouées, ce qui augmente les besoins en liaisons radioélectriques, en traitement de signal, en exploitation des informations et en charge des opérateurs. De plus, la multiplication des bouées pose le problème de l'automaticité de l'opération de largage. L'invention a pour objectif de pallier ces inconvénients. Plus précisément, un premier objectif de l'invention est de fournir un système de détection de bruiteurs mobiles, notamment de sous-marins, aux moyens de bouées autonomes. Ceci signifie que les bouées devront être munies de moyens de décision de l'existence ou non d'un bruiteur mobile, de façon à n'émettre un signal radioélectrique que dans le cas o une alerte effective doit être signalée. Ceci permet donc de réduire l'encombrement des canaux hertziens de transmission et de réduire le traite- ment à bord de l'aéronef. Un autre objectif de l'invention est d'autoriser la surveillance simultanée par un grand nombre de bouées, en permettant l'identification im- médiate de la provenance de chaque signal d'alerte émis. Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un tel système, avec des bouées lar- gables, par exemple depuis un aéronef, selon un sys- tème suffisamment automatisé pour pouvoir être uti- lisable par un seul opérateur, éventuellement le pi- lote de l'aéronef. Un autre objectif de l'invention est de fournir un système à bouées présentant d'une part une mécanique et une é lectronique suffisante pour passer successivement par des configurations de lar- gage, de déploiement mécanique, et de mise en fonc- tionnement électronique, et d'autre part une robus- tesse et une fiabilité acceptables. Cet objectif se double de celui d'obtenir un rapport perfor- mance/coût minimal. Ces objectifs ainsi que d'autres qui appa- raItront par la suite sont atteints à l'aide d'une bouée d'alerte autonome, du type comportant un flot- teur équipé de moyens de détection de bruiteurs mo- biles, et par exemple destinée à être larguée depuis un aéronef pour le repérage de sous-marins, bouée caractérisée en ce que lesdits moyens de détection comprennent des moyens de cap- tage d'un signal, et des moyens de traitement dudit signal, associés d'une part à une chaine de captage du signal utile, et d'autre part à une chaine de captage du bruit ambiant, et en ce qu'elle comprend des moyens de déclenchement sélectif de l'émission radioélectrique d'un signal d'alerte à chaque détection d'un brui- teur. De façon avantageuse, lesdits moyens de détection comprennent une antenne acoustique verti- cale comprenant un chapelet d'hydrophones omnidirec- tionnels superposés. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, ladite chaine de captage du bruit ambiant est connectée à au moins deux hydrophones dont les signaux sont traités de façon à définir un lobe principal d'écoute d'axe vertical. Pour sa part, la chaine de captage du signal utile est pré- férentiellement connectée à au moins deux hydro- phones dont les signaux sont traités de façon à dé- finir un lobe principal d'écoute d'axe horizontal. Selon une caractéristique de l'invention, lesdits moyens de détection d'un bruiteur mobile sont constitués par un comparateur des signaux de sortie desdites chaines de captage de signal utile et de captage de bruit ambiant, le signal de sortie dudit comparateur fournissant une information de présence/absence de bruiteur détecté. D'autre part, suivant l'invention, lesdits moyens de déclenchement sélectif de l'émission ra- dioélectrique d'un signal d'alerte comprennent un émetteur d'un signal personnalisé à ladite bouée, sélectivement déclenché sous contrôle desdits moyens de détection d'un bruiteur mobile. D'un point de vue mécanique, la bouée se- lon l'invention est notamment caractérisée en ce qu'elle comporte une partie en forme en plongeur logé dans la portion inférieure dudit flotteur, le- dit plongeur comprenant un lest, une antenne hydro- phonique, et une bobine creuse avec une face exté- rieure de réception des spires d'un câble de liaison du plongeur au flotteur, ledit plongeur étant sus- ceptible de prendre deux configurations successives - une première configuration de largage, dans laquelle ladite antenne hydrophonique est logée essentiellement à l'intérieur de ladite bobine creuse, et ledit cable de liaison est enroulé sur la face extérieure de ladite bobine; une seconde configuration de détection, dans laquelle ledit câble de liaison est déroulé et ladite antenne hydrophonique est déployée sensible- ment dans le prolongement dudit câble de liaison. L'invention a également pour objet un dis- positif de largage automatique de bouées caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un magasin rotatif de stockage d'un grand nombre de bouées, et d'autre part, un barrillet de réception et de sélection des bouées avant largage, ledit barrillet étant alimenté par ledit magasin de stockage, et en ce que ledit barrillet est associé à des moyens de largage sélectif des bouées, chaque bouée ayant une fréquence personnalisée d'émission du signal d'alerte. De façon avantageuse, lesdits moyens de largage sélectif des bouées comprennent des moyens de lecture d'un code porté sur chacune desdites bouées, et représentatif de la fréquence personnali- sée d'émission du signal d'alerte de la bouée cor- respondante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la descrip- tion suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma simplifié il- lustrant la configuration de la bouée suivant l'invention, en position déployée, avec représenta- tion d'un exemple de définition des lobes principaux d'écoute; - la figure 2 est un schéma bloc illus- trant les circuits électroniques des chaines de cap- tage du bruit ambiant et du signal utile dans la bouée suivant l'invention; - la figure 3 illustre la configuration des lobes d'écoute du bruit ambiant, et du signal utile, définis par les circuits de la figure 2. - la figure 4 est un schéma bloc illus- trant les circuits électroniques de détection d'un bruiteur mobile, à partir des signaux fournis par la chaine de captage de bruit ambiant et la chaine de captage de signal utile; - le figure 5 est un schéma illustrant la structure mécanique de la bouée suivant l'invention, en configuration de stockage avant largage; - la figure 6 est un schéma illustrant la structure du plongeur de la bouée suivant l'invention, en configuration déployée de fonction- nement; - la figure 7 est une vue schématique en perspective du dispositif de largage automatique de bouées, suivant l'invention, avec magasin de sto- ckage et barrillet de sélection et de largage des bouées; - la figure 8 est un schéma illustrant les modules fonctionnels du dispositif de largage de la figure 7. Selon le mode de réalisation de la figure 1, chaque bouée 10 est constituée d'un flotteur 11 et d'un plongeur 12 relié au flotteur par un câble de liaison 13. Le plongeur 12 comporte une antenne acous- tique 15 formée d'un chapelet d'hydrophones 14 omni- directionnels. Avec cette antenne 15, on forme 2 voies distinctes: - une première voie dont l'axe est verti- cal et dont le signal sert de référence pour évaluer le niveau du bruit ambiant (bruit de mer), - une seconde voie dont l'axe est horizon- tal et dont le signal sert pour la détection d'un bruiteur. La formation de ces 2 signaux de voies est faite dans la bouée 10 (et non dans une station ré- ceptrice), le nombre réduit d'hydrophones 14 permet- tant facilement cette intégration. La voie horizontale est obtenue par somma- tion des signaux d'hydrophones 14: son lobe princi- pal de directivité définit un tore de section co- nique. La voie verticale est obtenue par exemple au moyen des signaux de 2 hydrophones 14 pour four- nir une directivité en forme de cardiolde 17 dont la sensibilité maximum est située vers le haut dans l'axe de l'antenne. Comme on le verra plus loin, avec un tel traitement des signaux de l'antenne, on obtient d'une part la possibilité de régler le seuil de dé- tection en fonction du bruit ambiant (bruit de mer et de trafic) intégré sur une longue durée (30 s en- viron) et d'autre part, la possibilité d'une détec- tion du bruit de mer sur la voie "signal". A titre d'exemple, la bouée suivant l'invention est définie par les caractéristiques suivantes: - bande de fréquence: 3 - 5 kHz - nombre d'hydrophones: 5 - pas d'entre hydrophones: à 4 kHz 4 Le synoptique du traitement de formation des voies est représenté sur la figure 2 et les di- rectivités normalisées obtenues sont représentées sur la figure 3, en tant qu'exemples illustratifs et non limitatifs. L'électronique est peu volumineuse puisque ne comportant que 4 sommateurs 23, 24, 26, 29 et 1 déphaseur de T /2,25 (ou 2 inverseurs). Suivant une première variante on utilise 2 hydrophones (14, 142) pour la sommation (24) et à nouveau 2 hydrophones (14l 142) pour la soustraction (23) la directivité de la voie bruit 28 correspon- dante étant en forme de cardioide 31. Suivant une deuxième variante qui va dans le sens d'une simplification de l'électronique, la voie "bruit" est formée par une seule soustraction (23) suivie d'un déphasage de vité correspondante est en forme de "figure 8" (32) avec un zéro à l'horizontale. Suivant une troisième variante (non illus- trée), la voie bruit est formée en déphasant les si- gnaux des hydrophones (141, 145) d'une valeur corres- pondant à une mise en phase suivant l'axe de l'antenne, soit 1 /2 pour d = X/4, puis en les som- mant. Il faut alors 5 déphaseurs de t /2. On obtient un lobe principal de directivité dont la largeur à - 3dB d'atténuation est du même ordre de grandeur que pour la directivité "sinus" (figure en 8) mais avec un lobe arrière très atténué. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres agencements sont possibles. On notera en particulier que les hydrophones sont placés à une distance d = X/2 pour obtenir une directivité "hori- zontale" plus fine. Si l'on veut faire un diagramme en cardioide, pour la voie verticale, il est pos- sible d'ajouter un hydrophone à une distance X/4 ou X/8 de l'hydrophone supérieur. Suivant une caractéristique importante de l'invention, les deux signaux des voies bruit et si- gnal sont traités séparément, ce traitement compor- tant en particulier une adaptation du seuil de dé- tection au niveau de bruit seul moyenné avec une in- tégration longue permettant de diminuer les fausses alarmes. Ce traitement est schématisé sur la figure 4. Sur chaque chaine on trouve: - un amplificateur à faible bruit 43 - un filtrage de bande 44 (par exemple 3-5 kHz) - un amplificateur à gain variable 45 - une détection linéaire 46 (redressement double alternance). - une intégration longue 47 (environ 30 secondes). Ces deux chaines 41, 42 fournissent des niveaux réglés N1, N2 qui sont comparés dans un com- parateur 48; si le bruit signal (N2) est supérieur au bruit "ambiant" (N1), il y a détection d'un brui- teur et déclenchement de l'émission radioélectrique VHF. De manière à égaliser les niveaux N1, N2 en l'absence de bruiteur et à réduire la dynamique sur les détecteurs-intégrateurs, on réalise une phase d'étalonnage ou d'apprentissage du milieu. Pour cela, un circuit de commande 35 est prévu pour réa- liser les fonctions suivantes: - on mesure la différence de niveaux D = N -N (36); ! 2 - on cherche le signe de D afin d'effectuer la commutation (38), vers l'une ou l'autre chaîne (41, 42); - on augmente sous commande de D le gain (45) de la chaine 41, 42, ayant le gain le plus faible. Ensuite, on passe à la phase opération- nelle en autorisant, le fonctionnement du compara- teur après une durée déterminée à l'avance (1 à 3 mi- nutes par exemple). De façon avantageuse, les signaux sont nu- mérisés après leur intégration 47 et les fonctions d'apprentissage et de comparaison sont réalisées au moyen d'un microprocesseur qui fournit les commandes de gain et le signal de détection. Selon une caractéristique importante de l'invention, chaque bouée est personnalisée: lorsqu'une bouée a détecté un bruiteur, elle émet avec un code propre qui permet la localisation de cette émission. Dans la bande VHF autorisée, une fréquence est par exemple affectée à une bouée lors de sa fa- brication par réglage d'un synthétiseur de fréquence dont la commande est ensuite figée. Un exemple de réalisation de la structure de la bouée est représenté en figure 5. De façon avantageuse, son volume ne dé- passe pas 2 litres (diamètre: environ 50 mm, hauteur : environ 250 mm). Mais bien entendu, ces caractéris- tiques dimensionnelles sont données à titre indica- tif et non limitatif. La masse des é léments qu'elle contient préférentiellement est inférieure à 1 kg, conduisant à une vitesse limite de chute de l'ordre de 35 à 40 ms et donc une é nergie de 1600 joules lors de l'impact sur l'eau. Le boitier est conçu pour résis- ter largement à cet impact. De façon avantageuse, la bouée ne comporte donc pas de systèmes pour ralentir la chute tels que parachutes, balonnet ou rotochute. La bouée 10 comporte un compartiment "flotteur" 51 et un compartiment "plongeur" 52. Dans le compartiment flotteur, on trouve à la partie supérieure l'antenne radio VHF 53 qui au stockage est enroulée à la manière d'un "mètre-ru- ban". Un couvercle 54, amovible au largage, libère l'antenne 53 qui s'érige et vient stabiliser gros- sièrement la bouée 10 lors de sa chute. Dans le com- partiment flotteur 51, on trouve également la pile sèche 55, ou à eau de mer, et l'électronique d'émission VHF 56 suspendue entre l'antenne 53 et la cloison 57 qui sépare les 2 compartiments. Une caractéristique de la bouée réside dans la conception du plongeur 58 contenu dans la partie basse 52 du corps de la bouée 10. Le plongeur 58 déroulé est représenté sur la figure 6. La bobine est constituée en 2 parties 601, 602 qui sont maintenues entre-elles essentiellement par le câble de descente enroulé. Elle est creuse et contient les hydrophones 14 interconnectés qui sont reliés d'une part au lest 61 formant la base de la bobine 60 et d'autre part aux circuits formant l'électronique de captage et détection. Cette électronique est consti- tuée d'une seule plaquette 62 munie des composants décrits précédemment et représentés en figure 2, et est disposée de façon à former un "couvercle" à la bobine en position de largage. La plaquette 62 est surmoulée à sa partie supérieure avec un matériau élastomère. Le fond 63 de la bouée, sous l'effet du choc à l'eau, se détache et libère le plongeur qui se déplace comme représenté sur la figure 6. L'invention a également pour objet un dis- positif de largage des bouées. La conception du mode de réalisation du dispositif de largage ou lanceur, représenté en Fig. 7 et 8, est dictée par les condi- tions opérationnelles suivantes: lorsque l'aéronef largueur arrive sur sa zone de travail, un certain nombre de canaux VHF sont occupés (éventuellement 20 % à 25 %), et il faut donc ne pas éjecter les bouées dont la fréquence correspond à ces canaux. Il s'ensuit que le lanceur doit assurer la fonction de tri. A cet effet, chaque bouée 10 comporte avantageusement un code-barre marqué sur son cou- vercle et qui permet d'identifier son canal par lec- ture optique. Le lanceur comporte un magasin rotatif de stockage de bouées par empilement dans des comparti- ments 72. Avec 1 m de diamètre et 2 m de hauteur, par exemple, on peut stocker plus de 200 bouées telles que décrites précédemment. Le magasin 71 est mû en rotation par un moteur qui entraine également un barrillet muni de 4 alvéoles diamétralement opposés 2 à 2 dont les di- mensions sont adaptées pour recevoir les bouées 10. Deux valves 76, 77 formant clapet permettent soit le rejet vers le haut, soit le largage hors de l'aéronef. Chaque bouée 10 suit 4 é tapes correspon- dant chacune à un quart de tour du barrillet 74: - première étape: chargement 75 - deuxième é tape: lecture du code à l'aide d'un lecteur 78, envoi du code dans une mé- moire 79 contenant les codes interdits, comparaison et commande 80 oui/non de l'arrivée d'air comprimé 81 sur la value de rejet 76. - troisième étape: rejet ou rien 75 - quatrième étape: largage ou rien 754 Suivant un exemple de réalisation, l'ensemble du dispositif de largage est profilé en forme aérodynamique. Un dispositif d'écoute des bouées est avantageusement monté à bord de l'aéronef largueur. Il est avantageusement équipé d'un système SDF (Sonobuoy Direction Finder) qui lors d'une émis- sion de bouée indique la direction dans laquelle il faut se déplacer pour "rejoindre" la bouée é met- trice. REVENDICATIONS 1 - Bouée d'alerte autonome, du type com- portant un flotteur équipé de moyens de détection de bruiteurs mobiles, et par exemple destinée à ê tre larguée depuis un aéronef pour le repérage de sous- marins, bouée caractérisée en ce que lesdits moyens de détection comprennent des moyens de cap- tage d'un signal, et des moyens de traitement (41, 42) dudit signal, associés d'une part à une chaine (22) de captage du signal utile, et d'autre part à une chaine (21) de captage du bruit ambiant, et en ce qu'elle comprend des moyens (48,56) de déclenchement sélectif de l'émission ra- dioélectrique d'un signal d'alerte à chaque détec- tion d'un bruiteur. 2 - Bouée suivant la revendication 1 ca- ractérisée en ce que lesdits moyens de détection comprennent une antenne acoustique sensiblement ver- ticale comprenant un chapelet d'hydrophones (14) om- nidirectionnels superposés. 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la- dite chaine (21) de captage du bruit ambiant est connectée à au moins deux hydrophones (14) dont les signaux sont traités de façon à définir un lobe principal d'écoute d'axe vertical (17, 31, 32). 4 - Bouée suivant l'une quelconque des re- vendications 1 et 2 caractérisée en ce que ladite chaine (22) de captage du signal utile est connectée à au moins deux hydrophones (14), dont les signaux sont traités de façon à définir un lobe principal d'écoute d'axe horizontal (16). - Bouée suivant l'une quelconque des re- vendications 3 et 4 caractérisée en ce que ladite chaine de captage de bruit ambiant (21), de traite- ment de signal utile (22) respectivement, comprend au moins l'un des moyens suivants: - des moyens (43) d'amplification à faible bruit; - des moyens (44) de filtrage de bande; - des moyens (45) d'amplification à gain variable; - des moyens (46) de détection linéaire. 6 - Bouée suivant l'une quelconque des re- vendications 3 à 5 caractérisée en ce que ladite chaine de captage de bruit ambiant (21), de captage de signal utile (22) respectivement, comprend des moyens (47) d'intégration longue du signal traité. 7 - Bouée suivant la revendication 6 ca- ractérisée en ce que la durée d'intégration est de l'ordre de 30 secondes. 8 - Bouée suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 7 caratérisée en ce que lesdits moyens de détection d'un bruiteur mobile comprennent un comparateur (48) des signaux de sortie desdites chaines de captage de signal utile (22) et de cap- tage de bruit ambiant (22), le signal de sortie du- dit comparateur (48) fournissant une information de présence/absence de bruiteur détecté. 9 - Bouée suivant la revendication 1 ca- ractérisée en ce que lesdits moyens de déclenchement sélectif de l'émission radioélectrique d'un signal d'alerte comprennent un émetteur (56) d'un signal personnalisé à ladite bouée, sélectivement déclenché sous contrôle desdits moyens (48) de détection d'un bruiteur mobile. 10 - Procédé d'étalonnage des moyens de détection selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il consiste à: - mesurer (36) la valeur différentielle de niveaux entre les signaux fournis par ladite chaine de captage de signal utile et ladite chaine de cap- tage de bruit ambiant; - chercher (37) le signe de ladite valeur différentielle de niveau afin d'effectuer une commu- tation (38) vers la chaine de captage de gain le plus faible; - augmenter, sous commande de ladite va- leur différentielle de niveau, le gain (45) de la- dite chaine de captage ayant le gain le plus faible. 11 - Bouée suivant la revendication 1 ca- ractérisée en ce qu'elle comporte une portion for- mant plongeur (12), logé dans la partie inférieure dudit flotteur, ledit plongeur comprenant un lest (61), une antenne hydrophonique (14) et une bobine creuse (60) avec une face extérieure de réception des spires d'un câble de liaison (13) du plongeur (12) au flotteur (11), ledit plongeur (12) é tant susceptible de prendre deux configurations succes- sives: - une première configuration de largage, dans laquelle ladite antenne hydrophonique (14) est logée essentiellement à l'intérieur de ladite bobine (60) creuse, et ledit câble de liaison (13) est en- roulé sur la face extérieure de ladite bobine (60); - une seconde configuration de détection, dans laquelle ledit câble de liaison (13) est dé- roulé et ladite antenne hydrophonique (14) est dé- ployée sensiblement dans le prolongement dudit câble de liaison (13). 12 - Bouée suivant la revendication 11 ca- ractérisée en ce que ladite bobine creuse (60) est constituée en deux parties désolidarisables (601, 602), et perdues lors du déploiement du plongeur. 13 - Bouée suivant la revendication 11 ca- ractérisée en ce que ledit câble de liaison (13) supporte également un boitier (62) contenant lesdits moyens de détection d'un bruiteur mobile, ledit boi- tier (62) étant situé à proximité immédiate de la- dite antenne hydrophonique (14) déployée. 14 - Bouée suivant la revendication 1 ca- ractérisée en ce que ledit flotteur (11) comporte dans sa partie supérieure une antenne ruban (53), connectée auxdits moyens d'émission (56) d'un signal d'alerte, ladite antenne ruban étant susceptible de prendre deux positions: une position enroulée avant largage de la bouée, et une position déployée hors de la bouée, après largage de ladite bouée. - Dispositif de largage automatique, depuis un aéronef é quipé de moyens d'émission/réception radioélectriques, d'une bouée suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un magasin rotatif (71) de sto- ckage d'un grand nombre de bouées (10), et d'autre part un barrillet (74) de réception et de sélection des bouées (16) avant largage, ledit barrillet (74) étant alimenté par ledit magasin de stockage (71), et en ce que ledit barrillet (74) est as- socié à des moyens (76, 77, 78, 79, 80) de largage sélectif des bouées (10) chaque bouée ayant une fré- quence personnalisée d'émission du signal d'alerte. 16 - Dispositif suivant la revendication caractérisée en ce que ledit barrillet (74) co- opère avec des moyens pneumatiques de rejet (76) et/ou de largage (77) desdites bouées. 17 -Dispositif suivant la revendication 15 caractérisée en ce que lesdits moyens de largage sé- lectif des bouées comprennent des moyens (78) de lecture d'un code porté sur chacune desdites bouées, et représentatif de la fréquence personnalisée d'émission du signal d'alerte de la bouée (10) cor- respondante.