Brevet FR2902893A1 — publié le 20071228

A RECEPTEUR SONAR A LOBES LATERAUX REDUITS La présente invention est relative à un capteur. Elle intervient en liaison avec un système de sonar, mais pourrait être applicable à d'autres systèmes, tels que des récepteurs radar pour recevoir de l'énergie rayonnée. L'invention pourrait également être utilisée en liaison avec des transmetteurs. Un récepteur sonar typique, du type appelé "sonar plongeur" est présenté à la Fig. 1. Il est représenté suspendu à partir d'un hélicoptère 2 et immergé afin d'écouter les sons sous-marins. Ce récepteur sonar 1 est représenté de façon plus détaillée à la Fig. 2: il comprend un tube central 3 disposé verticalement et sur lequel sont fixés par des charnières des bras 4 à extension radiale au sommet et à la base du récepteur. Les éléments de support verticaux 5 réunissent les bras radiaux et forment des "ailettes". Ces ailettes peuvent être déployées à partir d'une position de repliement, dans laquelle elles sont repliées autour du tube afin de faciliter le transport, pour passer dans la position de déploiement présentée à la Fig.2. Les capteurs acoustiques 6 sont disposés le long des éléments de support verticaux 5. Pour la clarté de l'illustration, sur la Fig.2, ces éléments ne sont montrés que sur une seule ailette. Une antenne à trois ailettes est possible, de même que des nombres supérieurs d'ailettes, encore que les antennes avec un plus grand nombre d'ailettes sont en général trop chères et trop compliquées pour être utilisées communément. En principe, une antenne à une seule ailette pourrait être utilisée, mais une telle antenne présenterait de grandes ambiguïtés dans certaines directions. La Fig. 3 est une vue d'en haut du récepteur sonar de la Fig.l. 35 On peut y voir que chaque bras comporte un certain nombre de 2. capteurs acoustiques 6. Sur le schéma, seuls trois de ces capteurs sont représentés afin de simplifier l'illustration, mais en pratique, il y en a plus. La distance d entre les capteurs sur chaque bras est généralement choisie de manière à être légèrement inférieure à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement que l'équipement est destiné à recevoir. Les ingénieurs concepteurs de sonars ont utilisé cet espacement parce qu'il offre les plus grandes ouvertures sans entraîner le parasitage des lobes. Un espacement plus faible ne représente- rait pas un avantage notable, dans la mesure où un plus grand nombre de capteurs serait nécessaire pour obtenir la même ouverture. Les sorties de différents capteurs sont sujets à des pondéra- tions et à des décalages dans le temps afin de produire une dernière sortie présentant les caractéristiques directionnelles souhaitée. Les décalages dans le temps déterminent la direction alors que les pondérations déterminent la forme du lobe latéral et du faisceau Les décalages sont en général choisis pour un renforcement total, p.ex. comme décrit dans l'ouvrage "Principes du son sous-marin" de Urick. La pondération peut être calculée en appliquant p.ex. les principes décrits dans l'ouvrage "Formatage en amplitude de transducteurs sonar" de H.S.C. Wang JASA Vol. 57 N`5 Mai 1075. Les sonars conventionnels de ce type avaient des lobes latéraux horizontaux avec des valeur de réjection ne dépassant pas 12 dB. L'invention résulte de la recherche de moyens en vue d'améliorer ces performances relativement peu satisfaisantes. Une des techniques possibles et prises en considération consistait à combler les espaces entre les bras au moyen de capteurs additionnels, encore que cela se serait traduit par une augmentation inacceptable des coûts et de la complexité. En examinant le problème, l'inventeur a élabore une théorie selon laquelle la mauvaise structure des lobes latéraux était imputable au fait qu'à chaque bras était associée une direction ambiguë, c'est à dire qu'il y avait des sensitivités égales dans deux directions opposées symétriques sur les côtés opposés du bras. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un capteur directionnel comprenant une antenne avec un formage de faisceau à éléments multiples et des moyens permettant d'appliquer des pondérations et des décalages aux sorties du formage de faisceau afin de leur donner les caractéristiques directionnelles souhaitées. Bien que l'invention ait été faite en liaison avec la recherche d'un capteur amélioré, la façon dont la structure du faisceau est réalisée est réciproquement applicable aux transmetteurs, dans la mesure où le principe est parfaitement similaire. De ce fait, selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un transmetteur directionnel comprenant une antenne avec un formage de faisceau à éléments multiples et des moyens permettant d'appliquer des pondérations et des décalages aux entrées du formage de faisceau afin de leur donner les caracté- ristiques directionnelles souhaitées. Chaque formage de faisceau à éléments multiples peut être constitué d'une unité physique discrète, p.ex deux capteurs ou plus maintenus l'un par rapport à l'autre par un support adapté: les formages de faisceaux individuels peuvent être montés sur des supports tels que des bras s'étendant à partir d'un élément central similaire à la solution des Fig. 2 et 3. Néanmoins, d'autres dispositions sont possibles. Les Formages de faisceaux n'ont besoin de leurs propres éléments de support; en fait, il â aucune structure de support n'est en principe nécessaire pour réaliser l'invention. Il suffit qu'ilo y ait un nombre suffisant de capteurs avec des relations spatiales telles que les sorties de groupes d'entre eux puissent être traités de telle manière qu'on leur donne une caractéristique directionnelle. De ce fait, selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un capteur directionnel comprenant des capteurs qui peuvent être considérés comme disposés en groupes, des moyens pour traiter les sorties des éléments capteurs de chaque groupe dans une étape de traitement, de telle sorte que chaque groupe se comporte comme un formage de faisceaux, et pour combiner les sorties des formages de faisceaux dans une autre phase de traitement pour fournir la sortie du capteur. De manière analogue, pour la transmission, un quatrième aspect de l'invention propose un transmetteur directionnel comprenant des éléments de transmetteur qui peuvent être considérés comme disposés en groupes, des moyens pour traiter les entrées pour les éléments de chaque groupe dans une étape de traitement, de telle sorte que chaque groupe se comporte comme un formage de faisceaux et pour séparer les entrées pour les éléments dans une autre étape de traitement des entrées du transmetteur. Une antenne avec capteurs ou avec transmetteurs correspondant à l'invention pourrait être utilisée pour capter ou transmettre une large gamme d'ondes, y compris dans un fluide gazeux , dans un fluide liquide rte-^^ ie vide. Ces types d'ondes incluent: le son dans l'air, le son dans l'eau (sonar) et les rayonnements électromagnétiques de toutes longueurs d'ondes. Néanmoins, l'invention est particulièrement bien adaptée aux récepteur de sonars sous-marins et aux transmetteurs dans lesquels le capteur présente, par comparaison avec les matériels actuels, une excellente réjection pour les lobes latéraux . Le terme "formage de faisceaux" est défini pour les besoins de la présente spécification comme un groupe d'au moins deux éléments capteurs ou transmetteurs dont les sorties ou les entrées sont traitées en association les unes avec les autres de manière à donner au groupe une caractéristique directionnelle. On décrira maintenant une des façons dont l'invention peut être réalisée en s'appuyant sur les Fig. 4A, 4B et 5 des illustrations jointes: La Fig. 1 présente un "sonar plongeur" connu suspendu dans l'eau depuis un hélicoptère. La Fig. 2 est une vue perspective schématique du radar plongeur de la Fig. 1 avec plus de détails. La Fig. 3 est une vue en plan du montage connu de la Fig. 2. La Fig. 4A est une vue en plan analogue à celle de la Fig. 3, mais montrant un montage de sonar selon la présente invention. La Fig. 4B est une vue agrandie de l'un des multiples formages de faisceau tels que présentés à la Fig. 4A et La Fig. 5 présente un bloc-diagramme montrant comment les 30 sorties des capteurs dans la disposition de la Fig. 3 sont traités. La structure physique de l'antenne immergée montrée aux Fig. 4A, 4B et 5 est s'm1_ à celle de la Fig. 2 et les éléments 25 correspondants sont repérés par Fes mémés"-numéros. Néanmoins, les dispositions des Fig. 4A, 4B et 5 ont trois bras au lieu de cinq. Chaque bras 4 comporte plusieurs supports 7 orientés selon la circonférence et répartis sur sa longueur. Les extrémités de chaque support 7 comportent des éléments capteurs 6A, 6B qui, en combinaison, constituent un formage de faisceau 6. Les formages de faisceau sont séparée d'une distance d, légèrement inférieure à " 2. Les éléments capteurs 6A, 6B sont disposés avec un espacement légèrement supérieur à 2.. La Fig. 4B est un agrandissement d'un simple formage de faisceau 6. Sa caractéristique directionnelle est définie par la courbe 8. La Fig. 5 représente un processeur 9 recevant les sorties de chacun des capteurs 6A, 6B et fournissant une sortie pour l'antenne. Le traitement est effectué en deux phases comme le montre le diagramme. La première phase fournit le décalage 10A, 10B pour les deux capteurs du formage de faisceau 6, les sorties des deux décalages étant additionnés par un additionneur 11. La raison d'être des décalages 10A,10B est de réaliser un décalage relatif entre les deux signaux et, en pratique, l'un ou l'autre peuvent être remis à zéro pour n'importe quel formage de faisceau. Le délai retenu place le formage de faisceau en position de "cessez le feu". Cette configuration donne au formage de faisceau une structure de faisceau avec la caractéristique directionnelle montrée à la Fig. 4B. Au cours de la seconde phase, les sorties des additionneurs 11 des formages de faisceau respectifs sont transmis aux délais variables 12. Le délai imposé à 12 est contrôlé par un signal sur la ligne 12A de telle sorte que les sorties de tous les formages de faisceau dérivées d'un signal sonar dans une direction donnée I -âôiénrùen phase Ainsi, en se reportant à la a Fig. 4A, le délai 12 Pour chacun aeb Formages de faisceau 6 est égal au temps nécessaire pour que le son parcoure la distance flou 12 entre le formage de faisceau 6 et une ligne 15 orthogonale à la direction D passant par le formage de faisceau le plus en aval. La sortie de chaque décalage est alors amplifiée de différentes valeurs par les amplificateurs 13 de manière à affecter une "pondération" caractéristique à chaque formage de faisceau. Cette technique supprime les lobes latéraux de la structure de faisceau de l'antenne. Il s'agit là d'une technique connue appliquées aux antennes sonar actuelles. La sortie de l'amplificateur 13 de chacun des formages de faisceau 6 est ensuite additionné par un additionneur 14 qui fournit la valeur de sortie de l'antenne complète. Des prédictions mathématiques ont fait apparaître qu'une antenne sonar constituée dans ses grandes lignes conformément aux Fig. 4A et 5 présente les lobes latéraux les plus proéminents avec une sensitivité de -20dB par rapport au lobe principal pour n'importe quel faisceau horizontal. Les sonars anciens présen- tent en général des niveaux de lobes latéraux atteignant -12dB. Revendications 1. Un capteur directionnel comprenant une antenne de formages de faisceaux multi-éléments et les moyens pour appliquer des pondérations et des décalages aux sorties des formages de faisceaux pour donner une caractéristique directionnelle souhaitée. 2.Un capteur directionnel comprenant des éléments capteurs pouvant être éléments de chaque groupe en une étape de traitement, de sorte que chaque groupe se comporte comme un formage de faisceau et pour combiner les sorties des formages de faisceau dans une nouvelle phase de traitement pour fournir la sortie du capteur. 3. Un capteur tel que décrit aux revendications 1 et 2 dans lesquels chaque formage de faisceau a un rapport significatif de sensitivité front to back. 4. Un capteur tel que décrit dans les revendications ci-dessus dans lequel chaque formage de faisceau comprend deux éléments capteurs omnidirectionnels. 5. Un capteur tel que décrit dans les revendications ci-dessus dans lequel les formages de faisceau sont montés sur des bras s'étendant radialement à partir d'un point central et s'étendent latéralement par rapport aux bras 6. Un capteur tel que décrit dans les revendications ci-dessus 30 dans lequel les formages de faisceau sont montés sur trois bras s'étendant radialement 7. Un capteur tel que décrit dans les revendications ci-dessus dans lequel le capteur est_un_sonar.. Un transmetteur directionnel comprenant une antenne avec des formages de faisceau à multiples éléments et les moyens pour appliquer des pondérations et des décalages aux entrées des formages de faisceau pour donner la caractéristique directionnelle souhaitée. 9. Un transmetteur directionnel comprenant des éléments transmetteurs pouvant être considérés comme disposés en groupes, le moyens pour traiter les entrées pour les éléments de chaque groupe dans le cadre d'une même phase de traitement, de manière à ce que chaque groupe se comporte comme un formage de faisceau et pour séparer les entrées des éléments dans le cadre d'une autre phase de traitement des entrées du transmetteur. 10. Un transmetteur tel que décrit dans les revendications 8 et 9 dans lequel chaque formage de faisceau présente un rapport de gain front to back notable. 11. Un transmetteur tel que décrit dans les revendications précédentes dans lequel chaque formage de faisceau comprend deux éléments transmetteurs omnidirectionnels. 12. Un transmetteur tel que décrit dans les revendications précédentes dans lequel les formages de faisceaux sont montés sur des bras s'étendant radialement à partir d'un point central et s'étendent latéralement par rapport aux bras 13. Un transmetteur tel que décrit dans les revendications 30 précédentes dans lequel les formages de faisceaux sont montés sur trois bras s'étendant radialement. 14. Un transmetteur tel que décrit dans les revendications précédentes dans lequelùteùtransmetteur est une source sonar. T NEyo cri