CA1266910A - Sonar interferometrique a large bande et emission comprimee - Google Patents
Sonar interferometrique a large bande et emission comprimeeInfo
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Abstract
Le système d'antennes d'émission du sonar interférométrique suivant l'invention comporte plusieurs paires de transducteurs émetteurs destinées à émettre simultanément et couvrant des sous bandes de fréquence contig?es d'une bande B. Les sous bandes ont une largeur inférieure ou au plus égale à la largeur (.DELTA.fmax) induisant un décalage tolérable des lobes de directivité du diagramme d'émission d'une paire d'antennes. Les émetteurs d'une même paire sont distants de Li et émettent des impulsions de signal à fréquence fi, de durée <IMG> , les produits Li fi étant égaux pour toutes les paires d'émetteurs. Les diagrammes d'émission des différentes paires d'émetteurs coïncident alors exactement et, les émetteurs étant alimentés par des signaux issus des oscillateurs (Oi) en phase au milieu de l'impulsion de durée re, l'impulsion résultant de la superposition des signaux émis est comprimée dans le temps. La présente invention peut être appliquée aux sonars actifs.
Description
Sonar interférométrique, à large bande et émission comprimée L'invention se rapporte à un sonar interférométriqUe. c'est-à-dire à un sonar dans lequel l'émission est réalisée au moyen de deux émetteurs émettant simultanément, distants d'une longueur L é~ale à la longueur maximum disponible pour l'an~enne. Ces émetteurs créent par interféro-5 métrie un faisceau multiple, dont l'ambiguité est levée à la réception.
Un système d'antenne pour un sonar interférométrique de ce typea été décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demande-resse, publiée sous le numéro 2 412 177 et intitulée "Système d'antenne à
pouvoir séparateur élevé". L'antenne d'émission comporte au moins deux 10 transducteurs d'émission émettant en synchronisme et placés aux extré-mités de l'antenne de réception. Le diagramme de rayonnement d'émission, dont l'amplitude varie en fonction de la direction ~ suivant F(0):
F(3) = Cos (~Lc fo sina) (1), - 15 présente alors dans son champ angulaire une suite de maxima et de minima au pas p tel que:
1T~,L sin p = 7r, soit p voisin de L (2) o .~
Dans ces formules ~ est l'angle d'une direction d'observation avec un axe orthogonal à la ligne formée par les antennes, c est la vitesse des 20 ondes sonores dans l'eau, f la fréquence d'émission, et )~O = f--la longueur d'onde de vibration dans le milieu de rayonnement c'est-à-dire l'eau. La !argeur des lobes ainsi obtenus par interférométrie est environ moitié de celle obtenue avec une base d'émission remplissant toute la longueur L, ce qui améliore le pouvoir séparateur.
11 est possible de recevoir simultanément dans les directions des maxima d'émission en préformant autant de voies de réception que de lobes, à partir d'une antenne de réception pleine, mais composée d'une pluralité de sources entre lesquelles un déphasage est introduit, de façon à
faire colncider les maxima des voies de réception avec les maxima à
I'émission. Pour couvrir toutes les directions du champ angulaire, il est prévu de créer d'autres maxima dans le diagramme de rayonnement d'émission colncidant avec les minima du premier, et une deuxième série de voies préformées de réception, en utilisant les mêmes sources 5 d'émission et de réception, au moyen soit de deux émissions séquentielles déphasées à la même fréquence, soit de deux émissions simultanées à des fréquences différentes.
Les émissions sont des impulsions de signal acoustique de longueur d'onde ~O, récurrentes, de durée T . A cette durée correspond une bande 10 de fréquence ~f =--. En conséquence, à chaque fréquence comprise dans la bande ~f autour de la fréquence f correspond un dia~ramme F(0) de la forme cosinus selon la formule (1) ci-dessus, de telle sorte que le diagramme résultant n'est pas correctement réalisé car il n'y a pas de maxima ni de zéros bien marqués, excepté pour le maximum central.
En effet, les directions des maximas du diagramme d'émission, donnés par F(6) = 1, sont telles que fO sin a = 2c k, où k est un nombre entier. En conséquence, lorsque la fréquence varie dans la bande de fréquence ~f, la direction des maxima varie également de la manièr~
suivante:
fdf = _ dg~ . Lorsque la fréquence d'émission fO subit un écart de df, I'écart d0 correspondant à la direction 0 a pour valeur ¦ d~ ¦ = fdf . tga .
Pour que le diagramme d'interférence ne soit pas trop détérioré, il est nécessaire de limiter la valeur de la bande de fréquence, ce qui impose dans le système décrit ci-dessus une durée minimum pour l'impulsion 25 acous$ique. On admet que d0 peut, au maximum, atteindre un quart de la largeur des lobes du diagramme de rayonnement à mi-puissance, c'est-à-dire à 3 d~ d'atténuation du maximum; cette largeur à mi-puissance est 2a3~ 2f L = 2L ~ soit d0~- --2 . L'écart est maximum pour les limites du champ angulaire, - aO et ~ ~O .
Pour ces directions, df = 3 . = c soit Gfma,C = 2df = 4Ltg~
I a durée Te de l'impulsion ne peut donc etre inférieure à ~
max pour que le diagramme ne soit pas trop détérioré.
.
'3 Cette limitation présente un double inconvénient:
- Pour un champ angulaire donné, elle limite la xésolution en distance, 2~ car les impulsions sont trop longues, 5- Pour une résolution en distance donnée, elle limite le champ angulaire couvert.
A titre d'exemple, pour L = 250~o, un champ angulaire fixé 20O = 30, et une fréquence d'émission fO = 200 KHz, ~fmax est égal à 750 Hz. Or, pour obtenir une portée D =
10100 mètres, soit une résolution latérale en distance 2H3 D
égale à 0,2 m, une bande de 750 Hz n'est pas suffisante. Il faudrait au moins une bande égale à 3,75 KHz.
~'invention a pour objet un sonar interférométrique qui ne présente pas les inconvénients 15susmentionnés et qui en particulier est un sonar interférométrique à large bande. La structure particulière du système d'antenne du sonar suivant l'invention permet en outre d'obtenir une émission comprimée.
La présente invention vise un sonar 20interférométrique, à large ~ande et émission comprimée, comportant un système d'antenne d'émission à deux émetteurs espacés associés à des circuits de commande d'émission, et un système d'antenne de réception associé à des circuits de réception~ sonar dans lequel chacun desdits deux émetteurs 25est constitué d'un groupe de N émetteurs élémentaires, (El)i et (E2) , i entier compris entre ~ 2 et -~- pour N impair et i compris entre _ N2 et + N2 et différent de 0 pour N pair, chacun desdits émetteurs élémentaires(El)i constituant un desdits deux émetteurs, étant espacé de chacun desdits 30émetteurs élémentaires correspondants (E2)i, constituant l'autre desdits deux émetteurs d'une longueur Li pour former N paires d'émetteurs élémentaires, chacune desdites paires d'émetteurs élémentaires étant alimentés par un meme signal de fréquence fi, des produits Li fi des M paires .~
3~1~
d'émetteurs élémentaires ainsi définies étant égaux, et tous les émetteurs étant alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions.
S L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront a l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées.
- la figure 1 est le diagramme de rayonnement F(~) en dB d'une atenne interferométrique comportant deux 3~
- La figure 2 représente l~antenne d~émission interférométrique du sonar selon l'invention, et les moyens de commande associéS-- Les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs du fonction-nement du sonar suivant l'invention S- La figure 5 est un autre exemple d~antenne d'émission, pour un sonar suivant l'invention.
Le sonar interférométrique suivant l~invention est tel que le diagramme de rayonnement à l'émission n'est pas perturbé iorsque le sonar couvre une bande de fréquence B. Cette bande B est supérieure à la bande 10de fréquence dans laquelle on peut considérer, dans le système connu décrit succinctement ci-dessus, que le diagramme d'interférence n'est pas trop détérioré.
D'après la formule (I ), qui donne l'expression du coefficient d'amplitude du diagramme de rayonnement, F(0), représenté sur la figure 151, une solution pour obtenir un diagramme F(a) non perturbé par les variations de fréquence dans la bande B est que, pour chaque fréquence f, le produit Lf soit constant, soit Lf = K, où K est une constante.
Mais dans une bande de fréquence ~f \<~fmax donnée par la relation (3), le diagramme d'émission F(0) est considéré comme non 20perturbe. Il est donc possible d'envisager un ensemble discret de distances, Li c'est-à-dire plusieurs paires d'émetteurs, chaque paire correspondant à une fréquence d'émission fi autour de laquelle une bande de fréquence ~f inférieure ou égale à la valeur maximum l~f x permet de conserver l'indépendance de F(3) par rapport à la fréquence. Les fréquences d'émis-25 sion associées à chacune des paires d'émetteurs sont distantes de ~f, et la bande B peut ainsi ê-tre couverte avec un nombre N de paires d'emetteurs, N étant l'entier supérieur correspondant au quotient B~f. La fréquence centrale de la bande B, fO, correspond à la fréquence d'émission de la paire centrale si N est impair. Si N est pair par contre, les fréquences 30 d~émission des deux paires centrales sont fO - ~f et fo + 2f.
Ainsi les émetteurs El et E2 du système selon l'art antérieur sont remplacés chacun par une série de N émetteurs formant ainsi N paires d'émetteurs. Les deux émetteurs de chacune des N paires notees avec des indices i tels que . pour N impair, i est entier tel que: _ N2l~ + N2 311~) . pour N pair, i est entier tel que _ N2 <i <, N2 et i différent de 0.
Les fréquences d'émission correspondantes sont fi fo + i~f, pour N impair . fj = fO + (signe i1~ ~f, pour N pair.
Les distances entre émetteurs d'une paire d'indice i sont:
L _ K
i- fj La figure 2 représente schématiquement les circuits d'émission, et le système d'antenne associé, du sonar interférométrique suivant l'inven-tion dans un mode de réalisation où N = 5. Chaque émetteur, El, E2 10 comporte N émetteurs élémentaires (El)i et (E2)i; les émetteurs élémen-taires formant la paire d'indice i sont distants de Li et alimentés par des impulsions de signal à la fréquence fi ~ récurrentes et de durée Te = I f .
Les circuits d'émission comportent N amplificateurs de puissance Ai c'est-à-dire A 2 ~ A 1 ~ A, Al et A2 qui reçoivent des signaux de N
15 oscillateurs i ~ 2 à +2 aux fréquences fi . Ces oscillateurs i ~ en phase au milieu de l'impulsion Te ~ reçoivent des signaux de synchronisa-tion d'un oscillateur de référence r . La sortie d'un amplificateur Ai est reliée aux deux émetteurs élémentaires de la paire correspondante. Ainsi, les diagrammes de rayonnement de chaque interférométre élémentaire, 20 définis par la relation (1), sont identiques, et en particulier les maxima colncident, puisque tous les produits Li fi sont égaux.
La réception est effectuée de manière connue, au moyen d'une antenne de réception pleine classique, non représentée, formée par exemple d'une succession de transducteurs récepteurs équidistants dont 25 les signaux sont retardés et sommés pour former des voies de réception dans des directions qui correspondent à celles des maxirna du diagramme du rayonnement d'émission. Les transducteurs récepteurs sont disposés entre les deux groupes d'émetteurs pour former un système d'antenne dont I'encombrement en longueur est rninimum.
Comme dans le cas du sonar interférométrique à deux émetteurs, la couverture complète du charnp angulaire peut se faire soit successive-6 ~ ~,ti~i~3 ment au moyen d'émissions alternativement en phase et en opposition de phase sur tous les émetteurs élémentaires formant l'interféromètre, aux mêmes fréquences, soit simultanément, en utilisant deux fréquences distinctes émises simultanément par chacune des paires d'émetteurs 5 formant l'interféromètre.
Le dispositif décrit ci-dessus en référence à la figure 2 permet de plus d'obtenir une compression d'impulsions. En effet l'enveloppe de l'impulsion résultant de la somme algébrique de N signaux de fréquences pures distinctes distantes de af =-- dans une bande B = NQf, émis simultanément, est rigoureusement identique à un signal bref fonc~ion de Sii NxX où X est égal à ~rQf.t. Le maximum est obtenu lorsque ces signaux sont tous en phase. La compression d'impulsions est donc réalisée en émettant en phase, sur les différents émetteurs, au milieu de l'impul-sion, soit pour t = 2 après le début de l'impulsion.
~a figure 3 est la représentation vectorielle de la compression d'impulsions pour un exemple où N = 3. Le plan vibratoire de référence passant par le milieu O de l'antenne, les vibrations correspondant à chaque paire d'émetteurs élémen~aires, pour une direction donnée, s'ajoutent symétriquement par rapport à ce plan. Pour les directions ~ qui correspon-20 dent aux maxima de la fonction F(0), le vecteur résultant a une amplitude maximum égale à VM . Pour une direction quelconque 0, I'amplitude est égale à Vp, inférieure a VM . La figure 4 représente schématiquement les impulsions transmises sur les différentes paires d'émetteurs, et l'impulsion résultante comprimée en fonction du temps; sur cette figure on a choisi 25 N = 3 comme sur la figure 3, pour plus de commodités. Soient u~l, .~ 0 et ~+1 les puisations des signaux émis: ~; i = 2~rfi et ~i = 2c sin 0 .
Les produits ~ i ne dépendent que de la direction d'observation a et non de i puisque Li fi = K . La largeur à trois décibels d'atténuation de l'enveloppe de l'impulsion comprimée est Ne = NIQf =-B . l_e gain de 30 traitement associé, en décibels, est égal à 10 log.B . Te ~ soit 10 log.N .
Ainsi, le dispositif d'émission selon l'invention réalise une compression d'impulsion à l'émission dans l'eau et cela sur toutes les directions ~ du champ angulaire. La ~orme de l'impulsion temporelle n'est donc pas fonction de la direction 3, et reste identique à elle-même dans ~outes ses directions, avec un facteur d'amplitude F(0) correspondant au dia~ramme d'émission.
Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, où le champ angu-laire est compris entre -15 et +15, et où la fréquence centrale est 5 f = 200 KHz, pour un sonar destiné à visualiser les fonds marins, la résolution en distance recherchée est estimée à 0,2m soit une bande de fréquence, comme indiqué ci-dessus, B = 3,75 KHz. La bande de fréquence maximum ~fmax relative à un seul interféromètre étant égale à 750 Hz environ, I'antenne d'émission du sonar selon l'invention comporte cinq 10 interféromètres, c~est-à-dire cinq paires d'émetteurs élémentaires for-mant ces cinq interféromètres. Ces cinq paires d'émetteurs sont alimen-tées simultanément par des impulsions de durée ~ = 1,33 millisecondes, aux fréquences F 2 = 198,5 KHz. F 1 = 19~,25 KHz, Fo = 200 KHzs Fl = 200,75 KHz et F2 = 201,5 KHz.
Le niveau sonore d'émission obtenu au moyen d'un tel système d'antennes reste du même ordre que celui obtenu au moyen d'un système à
deux émetteurs. En effet, une source de longueur I possède une directivité
dont la largeur de lobe, à 3 décibels d'atténuation, est I--en radian. Pour obtenir un champ angulaire au moins égal à 200 ~ la longueur maximum 20 I d'une source unique est I = ~2E~ . Par ailleurs, I'espacement ei entre les centres de phase de deux émetteurs voisins dans le système d'antenne selon l'invention est donné par la relation:
2ei = Li - Li 1 voisin de K . af. )~ (~f étant petit) ~i L~f étant au plus égal à 4Ltg6 ~ ei est voisin de 8tg~ . En 25 conséquence, la longueur li des émetteurs, qui est limitée à leur espace-ment ei pour une antenne dont on souhaite que tous les émetteurs soient alignés, est environ quatre fois inférieure à la longueur ImaX. En conséquence avec un interféromètre comportant au moins quatre paires d'émetteurs, le niveau sonore d'émission est à peu près égal à celui d'un 30 interféromètre comportant seulement une paire d'émetteurs, puisque les surfaces d'émission sont équivalentes.
Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, I'espacement ej entre deux émetteurs voisins est égal à 0~47 ~i soit 3,5 mm en~/iron. La longueur maximum ImaX est de l'ordre de 15 mm. Pour obtenir un niveau d'émission égal à celui d'un interféromètre à deux émetteurs ayant chacun 15 mm de long, la longueur de chaque émetteur est fixée à 3 mm. La distance entre les deux émetteurs de la paire centrale est égale à 1,875 m. Les chiffres 5 indiqués ci-dessus montrent que, par rapport à l'interféron-ètre classique à
deux émetteurs, la résolution en distance a été augmentée pour un champ angulaire fixé, le niveau d'émission restant égal.
Il est également possible de ne pas aligner les émetteurs élémen-taires et de donner à la longueur de chaque émetteur la longueur 10 maximum ImaX. Dans cette solution les émetteurs sont décalés et superposés,comme représenté sur la figure 5 en vue de face. Dans ce cas la surface d'émission est multipliée par cinq par rapport à la surface d'émission d'un interféromètre ciassique à deux émetteurs.
Suivant un second exemple de réalisation, la résolution en dis-15 tance du sonar est fixée à 1 m et le champ angulaire 230 à 90, soit entre - 45 et + 45. Si la base d'émission de l'interféromètre L est égale à
250 )~ et si la fréquence centrale d'émission f est égale à 200 KHz comme dans l'exemple précédent, ~fmax est dans ce cas égale à 200 Hz.
La bande minimum nécessaire pour un sonar est égale à 80Q Hz, ce qui 20 nécessite quatre interférometres dont les paires d'émetteurs sont alimen-tées par des impulsions de durée ~e = 5 millisecondes, aux fréquences F 2 = 199,7 KHz, F I = 199,9 KHz, Fl = 200,1 KHz, F2 = 200,3 KHz. Dans ce cas il n'y a pas d'émetteur qui émette exactement à la fréquence fO = 200 KHz.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés. En particulier, il est possible de pondérer l'impul-sion émise, de façon que sa largeur à trois décibels soit de la forme N,~f ' où k supérieur à 1 dépend de la loi de pondération choisie.
Par ailleurs, pour diminuer le niveau des lobes secondaires de la 30 directivité, résul~ant du produit des directivités à l'émission et à la réception, la distance entre les deux groupes N d'émetteurs peut être choisie inférieure à la longueur de l'antenne de réception, les signaux reçus par les transducteurs de réception étant alors pondérés, comme décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demanderesse 35 publiée .50US le numéro 2 519 770.
Enfin un traitement supplémentaire de compression d'impulsion à
la réception, connu en lui-rnême, peut être mis en oeuvre dans le sonar interférométrique pour augmenter encore le gain de traitement. Pour cela, la durée Te des impulsions émises est choisie supérieure à ~,fl , et 5 est codée, par exemple par une modulation linéaire de fréquence. Le signal issu d'une voie de réception est traité en parallèle dans N canaux centrés sur les différentes fréquences d'émission fi. Chaque canal com-porte donc un filtre passe-bande centré sur la fréquence fi et de largeur ~fmax ~ suivi d'un filtre adapté au code émis, par exemple à la modulation 10 linéaire de fréquence. Les signaux issus des N canaux parallèles sont ensuite additionnés. Le gain de traitement supplémentaire ainsi obtenu est égal à ~f.~e .
Un système d'antenne pour un sonar interférométrique de ce typea été décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demande-resse, publiée sous le numéro 2 412 177 et intitulée "Système d'antenne à
pouvoir séparateur élevé". L'antenne d'émission comporte au moins deux 10 transducteurs d'émission émettant en synchronisme et placés aux extré-mités de l'antenne de réception. Le diagramme de rayonnement d'émission, dont l'amplitude varie en fonction de la direction ~ suivant F(0):
F(3) = Cos (~Lc fo sina) (1), - 15 présente alors dans son champ angulaire une suite de maxima et de minima au pas p tel que:
1T~,L sin p = 7r, soit p voisin de L (2) o .~
Dans ces formules ~ est l'angle d'une direction d'observation avec un axe orthogonal à la ligne formée par les antennes, c est la vitesse des 20 ondes sonores dans l'eau, f la fréquence d'émission, et )~O = f--la longueur d'onde de vibration dans le milieu de rayonnement c'est-à-dire l'eau. La !argeur des lobes ainsi obtenus par interférométrie est environ moitié de celle obtenue avec une base d'émission remplissant toute la longueur L, ce qui améliore le pouvoir séparateur.
11 est possible de recevoir simultanément dans les directions des maxima d'émission en préformant autant de voies de réception que de lobes, à partir d'une antenne de réception pleine, mais composée d'une pluralité de sources entre lesquelles un déphasage est introduit, de façon à
faire colncider les maxima des voies de réception avec les maxima à
I'émission. Pour couvrir toutes les directions du champ angulaire, il est prévu de créer d'autres maxima dans le diagramme de rayonnement d'émission colncidant avec les minima du premier, et une deuxième série de voies préformées de réception, en utilisant les mêmes sources 5 d'émission et de réception, au moyen soit de deux émissions séquentielles déphasées à la même fréquence, soit de deux émissions simultanées à des fréquences différentes.
Les émissions sont des impulsions de signal acoustique de longueur d'onde ~O, récurrentes, de durée T . A cette durée correspond une bande 10 de fréquence ~f =--. En conséquence, à chaque fréquence comprise dans la bande ~f autour de la fréquence f correspond un dia~ramme F(0) de la forme cosinus selon la formule (1) ci-dessus, de telle sorte que le diagramme résultant n'est pas correctement réalisé car il n'y a pas de maxima ni de zéros bien marqués, excepté pour le maximum central.
En effet, les directions des maximas du diagramme d'émission, donnés par F(6) = 1, sont telles que fO sin a = 2c k, où k est un nombre entier. En conséquence, lorsque la fréquence varie dans la bande de fréquence ~f, la direction des maxima varie également de la manièr~
suivante:
fdf = _ dg~ . Lorsque la fréquence d'émission fO subit un écart de df, I'écart d0 correspondant à la direction 0 a pour valeur ¦ d~ ¦ = fdf . tga .
Pour que le diagramme d'interférence ne soit pas trop détérioré, il est nécessaire de limiter la valeur de la bande de fréquence, ce qui impose dans le système décrit ci-dessus une durée minimum pour l'impulsion 25 acous$ique. On admet que d0 peut, au maximum, atteindre un quart de la largeur des lobes du diagramme de rayonnement à mi-puissance, c'est-à-dire à 3 d~ d'atténuation du maximum; cette largeur à mi-puissance est 2a3~ 2f L = 2L ~ soit d0~- --2 . L'écart est maximum pour les limites du champ angulaire, - aO et ~ ~O .
Pour ces directions, df = 3 . = c soit Gfma,C = 2df = 4Ltg~
I a durée Te de l'impulsion ne peut donc etre inférieure à ~
max pour que le diagramme ne soit pas trop détérioré.
.
'3 Cette limitation présente un double inconvénient:
- Pour un champ angulaire donné, elle limite la xésolution en distance, 2~ car les impulsions sont trop longues, 5- Pour une résolution en distance donnée, elle limite le champ angulaire couvert.
A titre d'exemple, pour L = 250~o, un champ angulaire fixé 20O = 30, et une fréquence d'émission fO = 200 KHz, ~fmax est égal à 750 Hz. Or, pour obtenir une portée D =
10100 mètres, soit une résolution latérale en distance 2H3 D
égale à 0,2 m, une bande de 750 Hz n'est pas suffisante. Il faudrait au moins une bande égale à 3,75 KHz.
~'invention a pour objet un sonar interférométrique qui ne présente pas les inconvénients 15susmentionnés et qui en particulier est un sonar interférométrique à large bande. La structure particulière du système d'antenne du sonar suivant l'invention permet en outre d'obtenir une émission comprimée.
La présente invention vise un sonar 20interférométrique, à large ~ande et émission comprimée, comportant un système d'antenne d'émission à deux émetteurs espacés associés à des circuits de commande d'émission, et un système d'antenne de réception associé à des circuits de réception~ sonar dans lequel chacun desdits deux émetteurs 25est constitué d'un groupe de N émetteurs élémentaires, (El)i et (E2) , i entier compris entre ~ 2 et -~- pour N impair et i compris entre _ N2 et + N2 et différent de 0 pour N pair, chacun desdits émetteurs élémentaires(El)i constituant un desdits deux émetteurs, étant espacé de chacun desdits 30émetteurs élémentaires correspondants (E2)i, constituant l'autre desdits deux émetteurs d'une longueur Li pour former N paires d'émetteurs élémentaires, chacune desdites paires d'émetteurs élémentaires étant alimentés par un meme signal de fréquence fi, des produits Li fi des M paires .~
3~1~
d'émetteurs élémentaires ainsi définies étant égaux, et tous les émetteurs étant alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions.
S L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront a l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées.
- la figure 1 est le diagramme de rayonnement F(~) en dB d'une atenne interferométrique comportant deux 3~
- La figure 2 représente l~antenne d~émission interférométrique du sonar selon l'invention, et les moyens de commande associéS-- Les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs du fonction-nement du sonar suivant l'invention S- La figure 5 est un autre exemple d~antenne d'émission, pour un sonar suivant l'invention.
Le sonar interférométrique suivant l~invention est tel que le diagramme de rayonnement à l'émission n'est pas perturbé iorsque le sonar couvre une bande de fréquence B. Cette bande B est supérieure à la bande 10de fréquence dans laquelle on peut considérer, dans le système connu décrit succinctement ci-dessus, que le diagramme d'interférence n'est pas trop détérioré.
D'après la formule (I ), qui donne l'expression du coefficient d'amplitude du diagramme de rayonnement, F(0), représenté sur la figure 151, une solution pour obtenir un diagramme F(a) non perturbé par les variations de fréquence dans la bande B est que, pour chaque fréquence f, le produit Lf soit constant, soit Lf = K, où K est une constante.
Mais dans une bande de fréquence ~f \<~fmax donnée par la relation (3), le diagramme d'émission F(0) est considéré comme non 20perturbe. Il est donc possible d'envisager un ensemble discret de distances, Li c'est-à-dire plusieurs paires d'émetteurs, chaque paire correspondant à une fréquence d'émission fi autour de laquelle une bande de fréquence ~f inférieure ou égale à la valeur maximum l~f x permet de conserver l'indépendance de F(3) par rapport à la fréquence. Les fréquences d'émis-25 sion associées à chacune des paires d'émetteurs sont distantes de ~f, et la bande B peut ainsi ê-tre couverte avec un nombre N de paires d'emetteurs, N étant l'entier supérieur correspondant au quotient B~f. La fréquence centrale de la bande B, fO, correspond à la fréquence d'émission de la paire centrale si N est impair. Si N est pair par contre, les fréquences 30 d~émission des deux paires centrales sont fO - ~f et fo + 2f.
Ainsi les émetteurs El et E2 du système selon l'art antérieur sont remplacés chacun par une série de N émetteurs formant ainsi N paires d'émetteurs. Les deux émetteurs de chacune des N paires notees avec des indices i tels que . pour N impair, i est entier tel que: _ N2l~ + N2 311~) . pour N pair, i est entier tel que _ N2 <i <, N2 et i différent de 0.
Les fréquences d'émission correspondantes sont fi fo + i~f, pour N impair . fj = fO + (signe i1~ ~f, pour N pair.
Les distances entre émetteurs d'une paire d'indice i sont:
L _ K
i- fj La figure 2 représente schématiquement les circuits d'émission, et le système d'antenne associé, du sonar interférométrique suivant l'inven-tion dans un mode de réalisation où N = 5. Chaque émetteur, El, E2 10 comporte N émetteurs élémentaires (El)i et (E2)i; les émetteurs élémen-taires formant la paire d'indice i sont distants de Li et alimentés par des impulsions de signal à la fréquence fi ~ récurrentes et de durée Te = I f .
Les circuits d'émission comportent N amplificateurs de puissance Ai c'est-à-dire A 2 ~ A 1 ~ A, Al et A2 qui reçoivent des signaux de N
15 oscillateurs i ~ 2 à +2 aux fréquences fi . Ces oscillateurs i ~ en phase au milieu de l'impulsion Te ~ reçoivent des signaux de synchronisa-tion d'un oscillateur de référence r . La sortie d'un amplificateur Ai est reliée aux deux émetteurs élémentaires de la paire correspondante. Ainsi, les diagrammes de rayonnement de chaque interférométre élémentaire, 20 définis par la relation (1), sont identiques, et en particulier les maxima colncident, puisque tous les produits Li fi sont égaux.
La réception est effectuée de manière connue, au moyen d'une antenne de réception pleine classique, non représentée, formée par exemple d'une succession de transducteurs récepteurs équidistants dont 25 les signaux sont retardés et sommés pour former des voies de réception dans des directions qui correspondent à celles des maxirna du diagramme du rayonnement d'émission. Les transducteurs récepteurs sont disposés entre les deux groupes d'émetteurs pour former un système d'antenne dont I'encombrement en longueur est rninimum.
Comme dans le cas du sonar interférométrique à deux émetteurs, la couverture complète du charnp angulaire peut se faire soit successive-6 ~ ~,ti~i~3 ment au moyen d'émissions alternativement en phase et en opposition de phase sur tous les émetteurs élémentaires formant l'interféromètre, aux mêmes fréquences, soit simultanément, en utilisant deux fréquences distinctes émises simultanément par chacune des paires d'émetteurs 5 formant l'interféromètre.
Le dispositif décrit ci-dessus en référence à la figure 2 permet de plus d'obtenir une compression d'impulsions. En effet l'enveloppe de l'impulsion résultant de la somme algébrique de N signaux de fréquences pures distinctes distantes de af =-- dans une bande B = NQf, émis simultanément, est rigoureusement identique à un signal bref fonc~ion de Sii NxX où X est égal à ~rQf.t. Le maximum est obtenu lorsque ces signaux sont tous en phase. La compression d'impulsions est donc réalisée en émettant en phase, sur les différents émetteurs, au milieu de l'impul-sion, soit pour t = 2 après le début de l'impulsion.
~a figure 3 est la représentation vectorielle de la compression d'impulsions pour un exemple où N = 3. Le plan vibratoire de référence passant par le milieu O de l'antenne, les vibrations correspondant à chaque paire d'émetteurs élémen~aires, pour une direction donnée, s'ajoutent symétriquement par rapport à ce plan. Pour les directions ~ qui correspon-20 dent aux maxima de la fonction F(0), le vecteur résultant a une amplitude maximum égale à VM . Pour une direction quelconque 0, I'amplitude est égale à Vp, inférieure a VM . La figure 4 représente schématiquement les impulsions transmises sur les différentes paires d'émetteurs, et l'impulsion résultante comprimée en fonction du temps; sur cette figure on a choisi 25 N = 3 comme sur la figure 3, pour plus de commodités. Soient u~l, .~ 0 et ~+1 les puisations des signaux émis: ~; i = 2~rfi et ~i = 2c sin 0 .
Les produits ~ i ne dépendent que de la direction d'observation a et non de i puisque Li fi = K . La largeur à trois décibels d'atténuation de l'enveloppe de l'impulsion comprimée est Ne = NIQf =-B . l_e gain de 30 traitement associé, en décibels, est égal à 10 log.B . Te ~ soit 10 log.N .
Ainsi, le dispositif d'émission selon l'invention réalise une compression d'impulsion à l'émission dans l'eau et cela sur toutes les directions ~ du champ angulaire. La ~orme de l'impulsion temporelle n'est donc pas fonction de la direction 3, et reste identique à elle-même dans ~outes ses directions, avec un facteur d'amplitude F(0) correspondant au dia~ramme d'émission.
Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, où le champ angu-laire est compris entre -15 et +15, et où la fréquence centrale est 5 f = 200 KHz, pour un sonar destiné à visualiser les fonds marins, la résolution en distance recherchée est estimée à 0,2m soit une bande de fréquence, comme indiqué ci-dessus, B = 3,75 KHz. La bande de fréquence maximum ~fmax relative à un seul interféromètre étant égale à 750 Hz environ, I'antenne d'émission du sonar selon l'invention comporte cinq 10 interféromètres, c~est-à-dire cinq paires d'émetteurs élémentaires for-mant ces cinq interféromètres. Ces cinq paires d'émetteurs sont alimen-tées simultanément par des impulsions de durée ~ = 1,33 millisecondes, aux fréquences F 2 = 198,5 KHz. F 1 = 19~,25 KHz, Fo = 200 KHzs Fl = 200,75 KHz et F2 = 201,5 KHz.
Le niveau sonore d'émission obtenu au moyen d'un tel système d'antennes reste du même ordre que celui obtenu au moyen d'un système à
deux émetteurs. En effet, une source de longueur I possède une directivité
dont la largeur de lobe, à 3 décibels d'atténuation, est I--en radian. Pour obtenir un champ angulaire au moins égal à 200 ~ la longueur maximum 20 I d'une source unique est I = ~2E~ . Par ailleurs, I'espacement ei entre les centres de phase de deux émetteurs voisins dans le système d'antenne selon l'invention est donné par la relation:
2ei = Li - Li 1 voisin de K . af. )~ (~f étant petit) ~i L~f étant au plus égal à 4Ltg6 ~ ei est voisin de 8tg~ . En 25 conséquence, la longueur li des émetteurs, qui est limitée à leur espace-ment ei pour une antenne dont on souhaite que tous les émetteurs soient alignés, est environ quatre fois inférieure à la longueur ImaX. En conséquence avec un interféromètre comportant au moins quatre paires d'émetteurs, le niveau sonore d'émission est à peu près égal à celui d'un 30 interféromètre comportant seulement une paire d'émetteurs, puisque les surfaces d'émission sont équivalentes.
Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, I'espacement ej entre deux émetteurs voisins est égal à 0~47 ~i soit 3,5 mm en~/iron. La longueur maximum ImaX est de l'ordre de 15 mm. Pour obtenir un niveau d'émission égal à celui d'un interféromètre à deux émetteurs ayant chacun 15 mm de long, la longueur de chaque émetteur est fixée à 3 mm. La distance entre les deux émetteurs de la paire centrale est égale à 1,875 m. Les chiffres 5 indiqués ci-dessus montrent que, par rapport à l'interféron-ètre classique à
deux émetteurs, la résolution en distance a été augmentée pour un champ angulaire fixé, le niveau d'émission restant égal.
Il est également possible de ne pas aligner les émetteurs élémen-taires et de donner à la longueur de chaque émetteur la longueur 10 maximum ImaX. Dans cette solution les émetteurs sont décalés et superposés,comme représenté sur la figure 5 en vue de face. Dans ce cas la surface d'émission est multipliée par cinq par rapport à la surface d'émission d'un interféromètre ciassique à deux émetteurs.
Suivant un second exemple de réalisation, la résolution en dis-15 tance du sonar est fixée à 1 m et le champ angulaire 230 à 90, soit entre - 45 et + 45. Si la base d'émission de l'interféromètre L est égale à
250 )~ et si la fréquence centrale d'émission f est égale à 200 KHz comme dans l'exemple précédent, ~fmax est dans ce cas égale à 200 Hz.
La bande minimum nécessaire pour un sonar est égale à 80Q Hz, ce qui 20 nécessite quatre interférometres dont les paires d'émetteurs sont alimen-tées par des impulsions de durée ~e = 5 millisecondes, aux fréquences F 2 = 199,7 KHz, F I = 199,9 KHz, Fl = 200,1 KHz, F2 = 200,3 KHz. Dans ce cas il n'y a pas d'émetteur qui émette exactement à la fréquence fO = 200 KHz.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés. En particulier, il est possible de pondérer l'impul-sion émise, de façon que sa largeur à trois décibels soit de la forme N,~f ' où k supérieur à 1 dépend de la loi de pondération choisie.
Par ailleurs, pour diminuer le niveau des lobes secondaires de la 30 directivité, résul~ant du produit des directivités à l'émission et à la réception, la distance entre les deux groupes N d'émetteurs peut être choisie inférieure à la longueur de l'antenne de réception, les signaux reçus par les transducteurs de réception étant alors pondérés, comme décrit dans la demande de brevet français au nom de la Demanderesse 35 publiée .50US le numéro 2 519 770.
Enfin un traitement supplémentaire de compression d'impulsion à
la réception, connu en lui-rnême, peut être mis en oeuvre dans le sonar interférométrique pour augmenter encore le gain de traitement. Pour cela, la durée Te des impulsions émises est choisie supérieure à ~,fl , et 5 est codée, par exemple par une modulation linéaire de fréquence. Le signal issu d'une voie de réception est traité en parallèle dans N canaux centrés sur les différentes fréquences d'émission fi. Chaque canal com-porte donc un filtre passe-bande centré sur la fréquence fi et de largeur ~fmax ~ suivi d'un filtre adapté au code émis, par exemple à la modulation 10 linéaire de fréquence. Les signaux issus des N canaux parallèles sont ensuite additionnés. Le gain de traitement supplémentaire ainsi obtenu est égal à ~f.~e .
Claims (8)
1. Sonar interférométrique, à large bande et émission comprimée, comportant un système d'antenne d'émission à deux émetteurs espacés associés à des circuits de commande d'émission, et un système d'antenne de réception associé à des circuits de réception, sonar dans lequel chacun desdits deux émetteurs est constitué d'un groupe de N
émetteurs élémentaires, (E1)i et (E2)i, i entier compris entre - et pour N impair et i compris entre - ? et +
? et différent de 0 pour N pair, chacun desdits émetteurs élémentaires (E1)i constituant un desdits deux émetteurs, étant espacé de chacun desdits émetteurs élémentaires correspondants (E2)i, constituant l'autre desdits deux émetteurs d'une longueur Li pour former N paires d'émetteurs élémentaires, chacune desdites paires d'émetteurs élémentaires étant alimentés par un même signal de fréquence fi, des produits Li fi des N paires d'émetteurs élémentaires ainsi définies étant égaux, et tous les émetteurs étant alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions.
émetteurs élémentaires, (E1)i et (E2)i, i entier compris entre - et pour N impair et i compris entre - ? et +
? et différent de 0 pour N pair, chacun desdits émetteurs élémentaires (E1)i constituant un desdits deux émetteurs, étant espacé de chacun desdits émetteurs élémentaires correspondants (E2)i, constituant l'autre desdits deux émetteurs d'une longueur Li pour former N paires d'émetteurs élémentaires, chacune desdites paires d'émetteurs élémentaires étant alimentés par un même signal de fréquence fi, des produits Li fi des N paires d'émetteurs élémentaires ainsi définies étant égaux, et tous les émetteurs étant alimentés simultanément, durant des impulsions récurrentes, par des signaux de fréquences fi en phase au milieu des impulsions.
2. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel, une bande de fréquence maximum susceptible d'être couverte au moyen d'une seule desdites paires d'émetteurs distants de L étant pour un champ angulaire donné compris entre -.theta.0 et + .theta.0 et une bande de fréquence à couvrir étant B centrée sur une fréquence f0, N
est un nombre entier supérieur au quotient B/ .DELTA.fmax.
est un nombre entier supérieur au quotient B/ .DELTA.fmax.
3. Sonar interférométrique selon la revendication 2, dans lequel les paires d'émetteurs élémentaires couvrent chacun une bande en émettant simultanément les signaux à fréquence fi pendant des impulsions de durée Te, fi étant égale à f0 + i.DELTA.f pour N impair et à
f0 + (signe i) pour N pair.
f0 + (signe i) pour N pair.
4. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel les impulsions de signaux à fréquences fi transmises aux paires d'émetteurs (E1)i, (E2)i sont pondérées suivant une même loi de pondération prédéterminée.
5. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel les émetteurs élémentaires sont alignés, leur longueur étant inférieure à une moitié de la différence entre les longueurs Li de deux paires d'émetteurs élémen-taires voisins.
6. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel les émetteurs élémentaires sont répartis sur plusieurs lignes décalées, leur longueur étant égale à une longueur maximum nécessaire pour couvrir un champ angulaire donné.
7. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel lesdits deux émetteurs espacés constitués par les émetteurs élémentaires, sont placés à des extrémités d'une antenne de réception.
8. Sonar interférométrique selon la revendication 1, dans lequel lesdits deux émetteurs espacés constitués par les émetteurs élémentaires, sont espacés d'une longueur inférieure à la longueur d'une antenne de réception, les circuits de réception comportant des moyens de pondération de signaux reçus par des transducteurs de réception.
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