Brevet FR2801417A1 — publié le 20010525

La présente invention se rapporte aux systèmes de connexion qui permettent de relier les antennes acoustiques sous-marines aux dispositifs électroniques d'exploitation de ces signaux qui sont situés à l'intérieur de la coque d'un sous-marin, les antennes étant elles-mêmes situées à l'extérieur de cette coque. Les antennes des sonars, plus particulièrement les antennes de réception, sont situées à l'extérieur du bâtiment porteur, un sous-marin par exemple, et sont classiquement reliées aux baies électroniques qui permettent d'exploiter les signaux émis et reçus par ces antennes, à l'aide l0 d'un ensemble de connexions électriques qui traversent la coque de ce bâtiment. Cette disposition entraîne de nombreux inconvénients, en particulier une perte d'étanchéité au niveau des connecteurs, un nombre important de câbles, de boîtes de jonction et de passages de coque (PHP pour Pressure Hull Penetrator), des coûts induits par le câblage, les contrôles,..., très élevés, une fiabilité réduite de l'ensemble en raison du grand nombre de dispositifs utilisés pour établir ces connexions, et enfin un risque de rupture de l'étanchéité lorsqu'il est nécessaire de remplacer l'un des capteurs. Ainsi, si l'on voulait relier une antenne cylindrique comportant 128 colonnes de 16 hydrophones, soit 2048 canaux, en les exploitant tous pour effectuer un traitement en gisement et en site, on serait amené à utiliser entre l'antenne et les PHP 128 connecteurs sur les colonnes et sur les câbles, 128 câbles formés de 18 paires blindées, 128 connecteurs sur les câbles et sur les PHP, soit au total 512 connecteurs mouillés. En ce qui concerne les PHP, il faudrait alors utiliser 32 câbles de 18 paires blindées munis de 2 fois 32 embases, chaque embase comportant 4 connecteurs, 32 boîtiers d'électronique pour conditionner les signaux, et 32 câbles munis de 2 fois 32 embases pour relier ces boîtiers de conditionnement à la baie électronique. Une telle réalisation ne peut pas dans la pratique être mise en oeuvre, aussi bien en raison du coût du câblage, pouvant atteindre plusieurs dizaines de MF, du poids des câbles et des connecteurs, qui serait de l'ordre de 6 tonnes, et du nombre très important de PHP et de connecteurs mouillés. Pour pouvoir néanmoins utiliser une antenne de ce type, très utile pour la localisation fine des sources de bruit acoustique, et pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un système de connexion pour acoustique sous-marine, principalement caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur démontable comportant une partie interne alimentée par les signaux à transmettre et noyée dans un premier bloc avec les organes de l'antenne et une partie externe noyée dans un deuxième bloc, connectée magnétiquement à la première partie et comportant un émetteur électro- optique alimenté électriquement par cette deuxième partie pour transmettre optiquement les signaux de l'antenne sur une fibre optique reliée aux organes d'exploitation de ces signaux. Selon une autre caractéristique, I'émetteur électro-optique est un i5 VCSEL. 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, un schéma de principe d'un système selon I'invention; À la figure 2, le schéma détaillé de l'un des canaux de la figure 1; À la figure 3, un détail d'une connexion optique de la figure 2; * la figure 4, une coupe transversale d'une nappe de fibre optique utilisée dans le schéma de la figure 2; À les figures 5 et 6, des vues respectivement en coupe et de face d'un système de raccordement de ces fibres optiques; la figure 7, une vue de dessus de la fixation sur la coque d'un bâtiment porteur d'un ensemble de prises d'alimentation; À la figure 8, une vue en coupe des câbles de la figure 7 entre deux prises; et À la figure 9, une vue en coupe de ces mêmes câbles au niveau d'une prise. On a représenté sur la figure 1, le schéma d'un système de connexion selon l'invention permettant de relier une antenne acoustique cylindrique 101 du type évoqué ci-dessus à une baie sonar 102. A titre *' 2801417 d'exemple, chaque antenne comprend 128 colonnes de 16 hydrophones, plus les amplificateurs (PA), les convertisseurs analogique-numériques (CAN), les multiplexeurs (MUX) et les connexions correspondant à chaque colonne. Ces connexions sont reliées par un système de couplage optique 103 à huit ensembles 104 de 8 fibres optiques permettant de faire sortir les signaux de réception et à huit ensembles 105 de 8 fibres optiques permettant de faire arriver sur l'antenne les signaux de commande de celle-ci. Les extrémités de ces ensembles de fibres optiques, qui forment des câbles, sont surmoulées sur des convertisseurs optique-électriques 106 pour les signaux de sortie et des convertisseurs électrique-optiques 107 pour les signaux de commande. Ces convertisseurs sont reliés à des connecteurs de traversée de coque PHP, respectivement 108 pour les convertisseurs 106 et 109 pour les convertisseurs 107. Ces PHP permettent de ramener les signaux à l'intérieur de la coque épaisse 110 d'un sous-marin. Les PHP 108 et 109 sont ensuite reliés à la baie sonar 102 par l'intermédiaire de câbles 111 et 112. On a représenté plus précisément sur la figure 2, I'ensemble des éléments de connexion correspondant à une colonne formée de 16 hydrophones 201 moulés avec leurs éléments annexes dans un bloc 202 de matériau plastique transparent aux ondes acoustiques, formé classiquement de polyuréthane. A chaque hydrophone 201 est relié un amplificateur (PA) 203, lui- même relié à un convertisseur analogique-numérique (CAN) 204. L'ensemble de ces convertisseurs analogique-numérique est relié à un mutliplexeur (MUX) 205, qui permet de multiplexer les signaux de tous les hydrophones sur une seule sortie 206. Dans l'exemple décrit, ces hydrophones forment une colonne d'une antenne de type cylindrique, mais ce pourrait être une antenne acoustique de type quelconque, par exemple un panneau d'antenne de flanc pour sous-marin, ou un tronçon d'antenne acoustique linéaire remorquée. L'ensemble des circuits électroniques 203, 204 et 205 est, dans cet exemple de réalisation, enfermé dans une boîte métallique 207 qui permet d'obtenir un blindage efficace en étant relié à la masse par une prise de masse étanche 208. L'alimentation électrique arrive par une prise latérale 209, elle- même étanche. La boîte 207 est remplie d'un produit permettant de supporter la pression hydrostatique, par exemple une huile minérale isolante ou du polyuréthane comme celui qui constitue le bloc 202. Selon l'invention, les données numériques issues du multiplexeur sont extraites du bloc 202 à l'aide d'un transformateur d'impulsions démontable qui permet à la fois, de transmettre les impulsions de manière connue en présentant une faible constante de temps, et d'être séparé en deux morceaux, I'un restant enrobé dans la masse de polyuréthane 202 et l'autre étant extérieur à cette masse et relié au câble de connexion 217 à la baie sonar. De cette manière, on peut déconnecter facilement l'ensemble de la colonne et de ses organes annexes sans rompre l'étanchéité. Pour cela, ce transformateur comporte un noyau formé d'une première partie interne 210 qui est noyée dans le polyuréthane 202, et d'une deuxième partie externe 211 qui est extérieure à ce bloc de polyuréthane. Les faces de jonction de la partie 210 avec la partie 211, formant un entrefer, viennent affleurer à la surface du bloc 202. Un primaire 212 est bobiné sur la partie interne 210 du noyau. Il est alimenté par un amplificateur 212 qui reçoit les données fournies par le multiplexeur 205. La deuxième partie 211 du noyau est elle-même moulée dans un autre bloc de polyuréthane 214, de plus petite taille, et les faces de contact de cette deuxième partie avec la première partie viennent elles-mêmes affleurer à la surface de ce deuxième bloc 214. Ce deuxième bloc peut être fixé à la surface du premier par des moyens de fixation non représentés, des clips ou des vis par exemple, de manière à ce que la continuité magnétique entre les deux parties 210 et 211 du noyau soit réalisée au mieux. Dans ces conditions, le flux magnétique induit par le primaire 212 vient induire dans un secondaire 215 bobiné sur la deuxième partie 211 du noyau magnétique une tension électrique représentative des signaux sortant du multiplexeur 205. Ce secondaire 215 est relié à un composant électrooptique 216 qui permet de convertir ces signaux électriques en signaux optiques. L'invention propose que ce composant optique soit un composant connu sous le nom de VCSEL, acronyme de l'expression anglo-saxonne Vertical Cavity Surface Emitting Laser, qui permet d'émettre les signaux lumineux perpendiculairement à sa surface. Ces signaux lumineux sont ensuite repris par une fibre optique 217, qui est surmoulé dans le deuxième bloc de polyuréthane 214 de telle manière que son extrémité se trouve juste en face de l'endroit d'o sortent les signaux lumineux du composant électrooptique 216. Le couplage entre la fibre et le composant peut être réalisé soit directement, soit par I'intermédiaire d'un guide d'onde pour faciliter la fabrication de l'ensemble. Le matériau utilisé pour fabriquer le deuxième bloc 214 étant transparent à la lumière, il n'y a pas de précaution particulière à prendre lors du surmoulage pour éviter une interruption du passage de signaux lumineux due à une infiltration du produit de surmoulage. L'ensemble forme ainsi une prise sans contact entre la colonne d'hydrophones munie de ses organes électroniques d'adaptation et le câble permettant de la relier à l'ensemble de connexion à la baie sonar 102. L'usage d'un composant de type VCSEL pour réaliser le système selon l'invention est particulièrement intéressant car le mode de sortie de la lumière de ce composant permet une adaptation facile à la fibre optique de transmission, comme déjà exposé plus haut. En outre, ce composant fonctionne en courant, et la valeur de ce courant est d'environ 1 mA avec une consommation de l'ordre du milliwatt, ce qui est faible et particulièrement adapté là aussi aux possibilités de transmission à l'aide d'un transformateur du type décrit ci-dessus. En outre, les longueurs d'onde susceptibles d'être utilisées peuvent varier entre 650 nm et 1100 nm, ce qui là aussi est bien adapté à une transmission par fibre optique. Dans une réalisation préférée, on utilisera une longueur d'onde de 850 nm. Pour plus d'informations sur ce type de composants, on se référera à la publication IEEE Spectrum de Février 1998, page 43. Même avec un bon ajustage, la caractéristique de démontage du transformateur 210-211 entraîne l'existence d'un entrefer qui est relativement important et présente des caractéristiques assez dispersées, en particulier en fonction des démontages et remontages successifs. Le couplage entre le primaire et le secondaire du transformateur est donc relativement lâche et non maîtrisé. Pour pouvoir alors faire fonctionner le composant 216 avec un courant de modulation adapté à ces caractéristiques, on utilise un système de rétroaction comportant un enroulement secondaire 218 bobiné sur la première partie 210 du circuit magnétique du transformateur. Ce bobinage par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation, comportant par exemple un système de redressement, permet de commander le gain de l'amplificateur 213. Les fibres optiques 217 correspondant aux diverses colonnes de l'antenne sont ensuite regroupées dans des câbles qui sont reliés au dispositif de collecte des données optiques et de conversion optique- électrique 106. L'invention propose de réaliser ces câbles sous la forme d'un câble plat tel que représenté sur la figure 4, qui est formé par surmoulage des fibres optiques 217 assemblées côte à côte sous forme d'une nappe avec un enrobage d'un matériau plastique, de préférence là aussi du polyuréthane pour réaliser la continuité avec le bloc 214. Le surmoulage est réalisé de telle manière qu'il présente des rainures 402 et 403 situées entre les différentes fibres sur chacune des faces du ruban plat formé par le câble. Ceci permet de séparer facilement les fibres munies de leur enrobage, de manière à faciliter le montage sur les dispositifs 106, au besoin en réalisant des boucles d'aisance. On est amené à envoyer sur les organes électroniques reliés aux hydrophones un ensemble de signaux de contrôle tel que des signaux d'horloge, de synchronisation, de commande de gain,... Pour cela l'invention propose de transmettre ces signaux par des fibres optiques 218 qui sont insérées dans un trou borgne 219 ménagé sur l'une des faces du bloc 202 de surmoulage de la colonne de l'antenne. Ce trou se situe en face d'une photodiode 220 qui est excitée par les signaux lumineux provenant de la fibre 218. Les signaux électriques émis par cette diode en réponse à ces signaux lumineux sont alors décodés dans un circuit de conditionnement 221 qui permet de sélectionner les différents signaux nécessaires aussi bien aux amplificateurs 203 qu'aux convertisseurs analogique-numérique 204 et qu'aux multiplexeurs 205. Cette sélection s'effectue par exemple par décodage d'une trame numérique comportant tous les signaux nécessaires selon un codage préétabli. Les fibres 218 en provenance du dispositif de conversion électrique optique et de distribution des contrôles optiques 107 seront de préférence rassemblées sous la forme d'un câble plat comme les fibres optiques 217. Pour faciliter le couplage entre l'extrémité de la fibre 218 et la photodiode 220, I'invention propose d'utiliser un type de fibre connu dit d'alignement éventuels entre l'extrémité de la fibre et la photodiode. Pour raccorder les fibres optiques 217 au dispositif 106, un petit dispositif tel que celui représenté en coupe longitudinale sur la figure 5 et en coupe transversale sur la figure 6 est par exemple réalisé. Ce dispositif comprend un boîtier plat parallélépipédique 501 dans lequel est insérée une pièce 502 formant étau de serrage des fibres. Cette pièce comprend des sillons longitudinaux en V qui permettent de maintenir les fibres 217 enrobées dans le matériau 401 formant le câble méplat après séparation au niveau des sillons 402 et 403. Comme cet enrobage est mou, il se moule dans les sillons, ce qui assure l'étanchéité de l'ensemble à ce niveau. Le système de conversion optique-électrique est formé de photodiodes 504 fixées sur la face intérieure et inférieure de la cavité interne délimitée par le boîtier 501. Le cas échéant ces photodiodes seront rassemblées dans un ASIC, ce qui permettra d'intégrer dans ce dispositif un certain nombre de fonctions supplémentaires permettant par exemple une amplification des signaux et/ou un multiplexage de ceux-ci. Pour coupler les fibres aux photodiodes on utilisera par exemple un miroir 505 incliné à 45 et disposé entre l'extrémité des fibres et les faces d'entrée des photodiodes. L'ensemble de la cavité sera rempli d'une huile ou d'un gel diélectrique et transparent pour supporter la pression. Ce gel sera introduit par un orifice bouché ensuite par un bouchon 506. Les signaux électriques sortiront par des paires blindées 507. Dans une variante de réalisation, cet ASIC sera réalisé sous une forme monolithique, ce qui permettra d'utiliser un guide d'onde intégré au substrat de l'ASIC pour pouvoir coupler directement les fibres à ce guide d'onde. De cette manière, on pourra ainsi supprimer le miroir et l'huile de remplissage. De la même manière, le dispositif de conversion électrique-optique et de distribution des signaux de contrôle optique aux fibres 218 est réalisé avec un dispositif semblable à celui des figures 5 et 6. La différence porte sur le remplacement des photodiodes réceptrices par des diodes électroluminescentes émettrices. Dans une réalisation préférée, on utilisera à la place des diodes électroluminescentes des composants du type VCSEL, comme les composants 216 de la figure 2. Pour obtenir une redondance du système, qui permette une tolérance aux pannes, l'invention propose également, comme représenté sur la figure 3, d'utiliser deux émetteurs optiques, DVCSEL par exemple, 226 et 236 branchés en parallèle sur les bornes du secondaire 215. Ces composants seront alors branchés tête-bêche de manière à ce que la défaillance de l'un n'entrave pas le fonctionnement de l'autre. Ces deux composants seront reliés respectivement à deux fibres optiques 227 et 237 qui aboutiront sur des duplexeurs optiques 301 et 302. Chacun de ces duplexeurs sera alors relié respectivement à deux dispositifs de collecte 306 et 316, ce qui permet au total d'assurer une redondance complète en ayant toujours les signaux de sortie du transformateur disponibles sur l'un de ces deux dispositifs 306 et 316. Enfin, pour obtenir un système entièrement sans contact électrique et entièrement démontable, l'invention propose d'alimenter chaque élément d'antenne 202 par un système à induction au moyen d'un transformateur démontable, comme représenté sur les figures 7, 8 et 9. Pour cela, la prise 209 de la figure 2 est remplacée par une partie 901 d'un noyau magnétique comportant cette partie 901 et une deuxième partie 902 permettant de boucler le circuit magnétique. La partie 901 est en forme de U " et noyée dans le bloc de polyuréthane 202, alors que la partie 902 est linéaire et permet de fermer le circuit magnétique. Cette partie 902 est elle- même fixée sur une pièce d'écartement 903, elle-même fixée sur la coque sur laquelle est fixée l'antenne. Ceci permet d'éviter les dispersions du flux magnétique dans cette coque. Un secondaire 904 bobiné sur la partie 901 du circuit magnétique permet d'alimenter les éléments électroniques noyés dans le bloc 202. Pour alimenter le transformateur, on utilise un primaire formé de câbles multibrins 905 qui forment des boucles qui traversent le creux intérieur du circuit magnétique 901/902 et sont bouclées à l'extérieur de celui-ci comme représenté sur la figure 7. Ces câbles 905 sont alimentés en énergie électrique à partir d'une boîte de jonction 906 qui permet de faire sortir de manière étanche l'énergie électrique de l'intérieur de la coque 110. Cette boîte de jonction sera située de préférence au-dessus de la ligne de flottaison du bâtiment porteur, pour pouvoir faciliter les réparations à ce niveau bien entendu. Cette ligne de flottaison dans le cas d'un sousmarin lO sera celle existant lorsqu'il est en surface. Pour avoir un couplage suffisant, on utilisera des câbles multibrins dont chaque brin est parcouru par le même courant et, le cas échéant plusieurs câbles multibrins de ce type, 2 dans le cas représenté sur les figures. Pour minimiser les pertes de toute nature entre les transformateurs, dont on constate qu'ils forment en fait des prises électriques sans contact, on rassemblera ces câbles entre ces prises de la manière représentée sur la figure 8. REVENDICATIONS 1 - Système de connexion pour acoustique sous-marine, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur démontable comportant une partie interne (210) alimentée par les signaux à transmettre et noyée dans un premier bloc (202) avec les organes de l'antenne (201-206) et une partie externe (214) noyée dans un deuxième bloc (214), connectée magnétiquement à la première partie et comportant un émetteur électro- optique (216) alimenté électriquement par cette deuxième partie pour transmettre optiquement les signaux de l'antenne sur une fibre optique (217) reliée aux organes d'exploitation de ces signaux. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur electro-optique est un VCSEL (216).