CA2046273A1 - Procede pour augmenter la cadence image d'un sonar et sonar pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents
Procede pour augmenter la cadence image d'un sonar et sonar pour la mise en oeuvre de ce procedeInfo
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- CA2046273A1 CA2046273A1 CA002046273A CA2046273A CA2046273A1 CA 2046273 A1 CA2046273 A1 CA 2046273A1 CA 002046273 A CA002046273 A CA 002046273A CA 2046273 A CA2046273 A CA 2046273A CA 2046273 A1 CA2046273 A1 CA 2046273A1
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Abstract
2046273 9009600 L'invention concerne un système sonar simple, bon marché et à cadence image élevée pour la détection d'objets et l'imagerie des fonds marins. Elle consiste à émettre n codes successifs non corrélés dans un secteur de largeur angulaire exactement égale à n fois la largeur angulaire du secteur de réception .THETA.R, l'antenne de réception continuant d'évoluer pendant ce temps alors que le premier signal émis n'a pas encore atteint la portée maximale dmax, et à recevoir dans le secteur de largeur angulaire .THETA.R les échos de ces n codes provenant de n zones de propagation contigües selon l'axe de réception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles ayant une profondeur égale à dmax/n. Elle s'applique à un sonar destiné à être installé sur un véhicule sous-marin ou dans une coque de navire.
Description
_ WO 90/09600 2 û 4 6 2 7 3 PCI /lFR90/00111 PROCEDE POUR AUGMENTE~ I~ CAD13NCE IMAGE
D'UN SONAR ET SONAR POUR LA ~SE
EN OEUVRE DlE CE PROCEDE
La présente invention SQ rapporte à un système sonar pour la détection d'objets et l'~magerie des fonds marins. Un tel sor~ar est destiné à etre installé sur un véhicule sous-marin ou dans une coque de navire et ceci a faible cout ; il doit donc 5 etre simple, bon marché et 8VOiI' UIlQ bonne cadence image. En effet, à cause de la faible vitesse de propagation du son dans l'eau, la cadence de renouvellement de l'information doit être élevée afin de réaliser un échantillonnage correct du terrain ou pour réaliser une extraetion automatique des cibles, extraction 10 ~ui demande le plus possible de retours indépendants de la cible.
Classiquement, il existe trois grands types de foncffonnement pour les systeme~ sonsrs et chacun conduit à des materiels spéciflque~, Dans un sonar mono-faisc~au à Dnpulsions et à
15 bal~yage mécanique tournant, l'antelme est mono-élément et une seule chame électroniqu0 de réception est requise. Ce sonar est donc simple et bon marché . Par contre > les trsnsducteurs d'émission et de reception sont generalement directifs et le tran~ducteur de réception doit rester pointé dans la direction 20 d'émission tant que le signal susceptible de revenir de la distance maximal~ n'est pas arr~a sur l'antenne. La vitesse de ro~ation de l'antenne reste alors l~nltée à de~ valeurs faibles, et la cadence image, notamment pour les systèmes ayant une bonne re801ution angulaire, est très faible, i; , . .. ..
D~ns un sonar à VoiQs préformaes, un large secteur ,,1 r ~ ~' . ~ ' `
est insonifié à l'émission et en réception, à chaque impulsion, des voies sont formées électroniquement dans tout le secteur insoniflé. L'image d'un secteur complet est alors obtenue à une cadence image élevée. Ce principe est très performant mais la complexite du materiel est importante surtout pour une implantation sur un petit véhicule sous-marin.
wO 90/09600 ~ 0 ~ ~ 2 7 ~ PCr/FR90/00111 Enfin, dans un sonar à émission continue et à
modulation de fréquence ( CTFM), 'la cadence image est élevée mais la résolution en distance .est souvent faible car elle est inversement proportionnelle ~àu nombre de filtres d'analyse 5 spectrale présents dans la chaîne de réception. De plus, la faible bande de réception, après analyse spectrale, rend les cibles fluctuantes ce qui est préjudiciable à une bonne probabilité de détection~
Pour pallier ces inconvénients et obtenir un sonar qui 10 soit simple, bon marché, dont l'émission soit à large secteur et présentant une cadence image augmentée d'un facteur n, l'invention propose un autre procédé, à mettre en oeuvre dans un ~onar ayant une portée maximale dmax et comportant une antenne d'émis~ion mobile couvrant un ~ecteur de largeur l 5 angulaire ~E courant et une antenne de récaption mobile couvrant un secteur de largeur angulaire ~R courant centré selon un axe evoluant comme l'antenne de réception, dit axe de l'antenne de réception, caractéri~é en ce qu'il consi~te:
- à émettre, ~ous forme d'impulsions, n codes successifs C1 à
20 Cn non corrélés dans un sect~ùr de largeur angulaire ~E
courant exactement égal à n~R, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps, de façon que la càdence d'émission des codes corresponde au temps mis par l'antenne de réception pour passer du secteur de largeur - 25 angulaire OR courant à un ~ecteur de largeur angulaire ~R suivant dans le sens d'évolution de l'antenne de - réception;
- et à recevoir dans le- secteur de largeur angulaire ~R
J ~; ~ ' ' courant le~ échos de ces n codes provenant de n zones de 30 propagation contigues ~elon l'axe de l'antennQ de reception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles - ayant une profondeur égale à dmax/n.
L'invention a également pour objet un sonar pour la mise en oeuvre de C8 procédé~
.
WO 90/09600 ~ O ~1 6 2 7 3 PCI /I;R90/00111 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivsnte donnée à
titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent:
5 - la figure 1: la zone de terrain observée à l'émission et à la réception pour un sonar mono-faisceau à balayage mécanique tournant selon l'art antérieur, - la figure 2, le diagramme des temps des impulsions d'émission et la position des antennes en fonction du temps d'un sonar 10 mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 3: la zone de terrain obserYée par un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant pour des position~ d'antenne de réception progrsssives ~ selon 15 l'invention, - la figure 4 : la zone de terrain observée par un sonar latéral à voies préformées parallèles ~elon l'invention, - la figure 5 : un exemple de distribution des fréquences d'émission dans un sonar mono-faiscQau à impulsions et à
20 balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 6: le synoptique général d'un ~onar mono-faisceau à
impulsion~ et à balayage mécanique tournant, selon l'invention.
~ La figure 1 représente la zone de terrain observée à
l'émi~sion et ~ la réception pour un - sonar mono-faisceau à
25 balayage mécanique tournant de l'art antérieur comportant une antenne d'émis~ion, .20, couvrant un secteur angulaire ~E
et une antenne de réception, 30, couvrant un secteur angulaire , ~R .. tel .,que VJ ~3E . est ~ supérieur . ~ aR. ~ Sur la ~:
figure . l~s positions ? des, anteIme~ d'émi~hn, s~:20, et de 30 reception, 30, ~ont. ..représentée~ re~pectivement à l'instant d'émi~sion et en . fin de . réception. Entre l'émission et la ..
réception, l'antenne de réception, 30, ne doit tourner que d'un :
angle A faible afln de permettrQ le chevauchement des deux secteurs angulaires eE et aR couverts par les deux 3S antennes Mais cette condition n'est pas suffisante car la zone
D'UN SONAR ET SONAR POUR LA ~SE
EN OEUVRE DlE CE PROCEDE
La présente invention SQ rapporte à un système sonar pour la détection d'objets et l'~magerie des fonds marins. Un tel sor~ar est destiné à etre installé sur un véhicule sous-marin ou dans une coque de navire et ceci a faible cout ; il doit donc 5 etre simple, bon marché et 8VOiI' UIlQ bonne cadence image. En effet, à cause de la faible vitesse de propagation du son dans l'eau, la cadence de renouvellement de l'information doit être élevée afin de réaliser un échantillonnage correct du terrain ou pour réaliser une extraetion automatique des cibles, extraction 10 ~ui demande le plus possible de retours indépendants de la cible.
Classiquement, il existe trois grands types de foncffonnement pour les systeme~ sonsrs et chacun conduit à des materiels spéciflque~, Dans un sonar mono-faisc~au à Dnpulsions et à
15 bal~yage mécanique tournant, l'antelme est mono-élément et une seule chame électroniqu0 de réception est requise. Ce sonar est donc simple et bon marché . Par contre > les trsnsducteurs d'émission et de reception sont generalement directifs et le tran~ducteur de réception doit rester pointé dans la direction 20 d'émission tant que le signal susceptible de revenir de la distance maximal~ n'est pas arr~a sur l'antenne. La vitesse de ro~ation de l'antenne reste alors l~nltée à de~ valeurs faibles, et la cadence image, notamment pour les systèmes ayant une bonne re801ution angulaire, est très faible, i; , . .. ..
D~ns un sonar à VoiQs préformaes, un large secteur ,,1 r ~ ~' . ~ ' `
est insonifié à l'émission et en réception, à chaque impulsion, des voies sont formées électroniquement dans tout le secteur insoniflé. L'image d'un secteur complet est alors obtenue à une cadence image élevée. Ce principe est très performant mais la complexite du materiel est importante surtout pour une implantation sur un petit véhicule sous-marin.
wO 90/09600 ~ 0 ~ ~ 2 7 ~ PCr/FR90/00111 Enfin, dans un sonar à émission continue et à
modulation de fréquence ( CTFM), 'la cadence image est élevée mais la résolution en distance .est souvent faible car elle est inversement proportionnelle ~àu nombre de filtres d'analyse 5 spectrale présents dans la chaîne de réception. De plus, la faible bande de réception, après analyse spectrale, rend les cibles fluctuantes ce qui est préjudiciable à une bonne probabilité de détection~
Pour pallier ces inconvénients et obtenir un sonar qui 10 soit simple, bon marché, dont l'émission soit à large secteur et présentant une cadence image augmentée d'un facteur n, l'invention propose un autre procédé, à mettre en oeuvre dans un ~onar ayant une portée maximale dmax et comportant une antenne d'émis~ion mobile couvrant un ~ecteur de largeur l 5 angulaire ~E courant et une antenne de récaption mobile couvrant un secteur de largeur angulaire ~R courant centré selon un axe evoluant comme l'antenne de réception, dit axe de l'antenne de réception, caractéri~é en ce qu'il consi~te:
- à émettre, ~ous forme d'impulsions, n codes successifs C1 à
20 Cn non corrélés dans un sect~ùr de largeur angulaire ~E
courant exactement égal à n~R, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps, de façon que la càdence d'émission des codes corresponde au temps mis par l'antenne de réception pour passer du secteur de largeur - 25 angulaire OR courant à un ~ecteur de largeur angulaire ~R suivant dans le sens d'évolution de l'antenne de - réception;
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J ~; ~ ' ' courant le~ échos de ces n codes provenant de n zones de 30 propagation contigues ~elon l'axe de l'antennQ de reception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles - ayant une profondeur égale à dmax/n.
L'invention a également pour objet un sonar pour la mise en oeuvre de C8 procédé~
.
WO 90/09600 ~ O ~1 6 2 7 3 PCI /I;R90/00111 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivsnte donnée à
titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent:
5 - la figure 1: la zone de terrain observée à l'émission et à la réception pour un sonar mono-faisceau à balayage mécanique tournant selon l'art antérieur, - la figure 2, le diagramme des temps des impulsions d'émission et la position des antennes en fonction du temps d'un sonar 10 mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 3: la zone de terrain obserYée par un sonar mono-faisceau à impulsions et à balayage mécanique tournant pour des position~ d'antenne de réception progrsssives ~ selon 15 l'invention, - la figure 4 : la zone de terrain observée par un sonar latéral à voies préformées parallèles ~elon l'invention, - la figure 5 : un exemple de distribution des fréquences d'émission dans un sonar mono-faiscQau à impulsions et à
20 balayage mécanique tournant selon l'invention, - la figure 6: le synoptique général d'un ~onar mono-faisceau à
impulsion~ et à balayage mécanique tournant, selon l'invention.
~ La figure 1 représente la zone de terrain observée à
l'émi~sion et ~ la réception pour un - sonar mono-faisceau à
25 balayage mécanique tournant de l'art antérieur comportant une antenne d'émis~ion, .20, couvrant un secteur angulaire ~E
et une antenne de réception, 30, couvrant un secteur angulaire , ~R .. tel .,que VJ ~3E . est ~ supérieur . ~ aR. ~ Sur la ~:
figure . l~s positions ? des, anteIme~ d'émi~hn, s~:20, et de 30 reception, 30, ~ont. ..représentée~ re~pectivement à l'instant d'émi~sion et en . fin de . réception. Entre l'émission et la ..
réception, l'antenne de réception, 30, ne doit tourner que d'un :
angle A faible afln de permettrQ le chevauchement des deux secteurs angulaires eE et aR couverts par les deux 3S antennes Mais cette condition n'est pas suffisante car la zone
2 ~ 7 ~ PCr/FR90/001 l l du terrain observée évolue avec l'antenne de réception. Pour que tout le terrain soit observe, c'est-à-dire pour ne pas avoir une perte de plus de 6dB (3dB à ltémission et 3 dB en réception) sur l'écho reçu à la portée maximale dmax, il est 5 nécessaire que l'angle a soit au maximum égal à HR. Le secteur sngulaire ~R étant défini comme l'ouverture du diagramrne correspondant à 3 dB en dessous de la portée maximale dmax, la vitesse de rotation v de l~antenne de réception doit être inférieure à v = ~RC/2dmax, C étant 10 la vitesse du son dans l'eau La cadence d'émission est calée sur la portée msximale dmax, ce qui signifie qu'avant de réémettre, ll faut attendre d'avoir reçu le signal le plus éloigné. ~ ~ ~
Si, par contre, plusieurs émissions successives sont l 5 effectuées au cours de la propagation et qu'un code particulier est affecté ~ chacune d'entre elles pour les distinguer, }es codes n'étant pas corrélés, il devient alors possible de tourner l'antenne de réception entre l'émission et la fin de la réception, d'un angle A supérieur à eR et d'augmenter 20 ainsi la cadence image. Un code facile à réaliser consiste, psr exemple, à émettre des frequences pures distinctes.
La figure 2 représente le diagralT~ne des impulsions d'émi~sion en fonction du temps ainsi que la position des antennes en fonction du temps Chaque émission est affectée 25 d'un code de fréquences distincte~ C1 à Cn. Pendant le temps qui ~'écoule entre l'émission d'un code et la fin ds la - , réception du même code, les antennes d'émission et de réception, choisies colinéaires, continuent de tournèr de façon que la cadence d'émis~ion ~--des - codeY correYponde au temps mis par 30 l'antenne de réception pour passer du secteur de largellr angulaire ~R courant à un secteur de largeur angulaire ~R suivant dans le sens d'evolution de l'antenne de réception. Les positions sngulaires de l'axe de l'antenne de réception ~ 2~ ~n~ n'~2 ~3n etc.. sont 35 représentees en fonction du temps en considérant qu'elles sont WO 90/09600 2 0 ~ 6 2 7 ~ PCI /FR90/00111 respectivement en synchronisme avec les émissions d'impulsions - de code C1, C2, . Cn, C1, C2, La figure 3 représente la zone de terrsin observée par un sonar mono-faisceau à ~mpulsions et ~ balayage mécanique 5 tournant pour des positions d'axes d'antenne de réception progressant de ~ n en fonction du code érnis C1 à Cn. Pour la clarté de la figure, n a été choisi n~4 La cadence d'én~is3ion est n fois plus grande et la portee maximale dmax du sonar, pour chaque code, est n fois 10 plus faible que les valeur~ correspondantes obtenues lorsque les émissions ne ~ont pas codées. De même, la vitesse de rotation maximale des antennes d'un ~onar étant inversement proportionnelle à la portée maximale, il est alors possible d'augmenter la Yltesse de rotation v deæ antennes d'un facteur n 15 par rapport à un ~onar à emission non codée, soit v = nORC/2dmax, C étant la `vitesse du son dans l'eau, et chaque code est reçu dans un secteur de largeur angulaire eR psndant une durée égale à 2dmax/nC. Pour une position d'axe d'antenne de réception ~k~ k étant compris 20 entre 1 et n, les échos des n codes précédemment émis sont reç~s dans le secteur angulaire OR centré sur l'axe ~k. Les échos de ces n codes proviennent de régions de l'espace différentes, c~ntigues selon l'axe de réception ~k et qui ont une profondeur egale à dmax/n. Ces régions 25 corre~pondent au temps nécessair~ aux ondes acoustiques codées émi~e~ pour se propager 3u3qu'à leur portée maximale dmax/n, atre réfléchles par un éventuel obstacle et être reçues dans le ~ecteur ~R centré sur la position d'axe d'antenne de - ; réception. -: ~r- j, Dans la position d'axe ~1~ l'antenne de réception reçoit le signal de code Cl i89U de 18 zone hachurée comprise entre 0 et dmax/n.
Dans la position d'axe 2' elle reçoit le signal de code C2 issu de la zone comprise entre 0 et dmax~n - . .. . - .
WO 90/09600 2 0 4 6 ~ 7 ~ PCI /FR90/OOl l l ~
et le signal de code C1 issu de la zone hachurée comprise entre dmax/n et 2dmax/n, et ainsi de suite jusqu'a la position ~n où elle reçoit le signal dè code Cn issu de la zone comprise entre 0 et dmax/n, le signal de code Cn 1 issu de la 5 zone comprise entre dmax/n et 2dmax/n , etc . . ., le signal de code C1 issu de la zone comprise èntre (n-1) dmax/n et dmax.
Sur la flgure 3 une légende illustre les codes des signaux issus des différentes zones.
En se reportant à la figure 3~ il est à noter qu'au 10 début et à la fin de rotation des antennes, le secteur d'observation présente des "trous", 40, et ses bords sont en forme de marches d'escalier. CQS "trous" correspondent au temps necQsgaire au signsl de code C1 et au signal correspondant au dernier code émis pour stteindre la distance dmax. Il faut en 15 tenir compte en prévoyant une rotation plus grande par rspport au secteur d'observation voulu.
Ce procédé est applicable à tout système sonar quelles que soient ses caractéri~tiques essentielles telles que sa fréquence, sa portée et sa résolution.
Le codage en fréquence peut être quelconque, dans la pratique pour des raisons d~ simplicité, un code de fréquences pures sera choisi afin que le sonar conserve sa caractéristique impulsionnelle donc sa bonne résolution en dlstance ( ce qui n'est pas le cas des di~positifs CTPM).
La complexité du sonar est très pQU augmentée, les antennes restent identiques, une ~eule voie de réception est conservée, il faut simplement f~ltrer le signal en fonction de la positloIl d'antenne donc du temps.
Par ailleurs, comme pour les sonars à voies préformées, il est nécessaire d'insonifier un secteur plus large, solt exactement n~R.
Comme pour les autres procédés, les antennes d'émission et de réception peuvent etre colinéaires ou partiellement communes.
WO 90/09600 ~ O ll 5 2 7 ~ PCI /FR9û/00111 La figure 4 représente la zone de terrain observee par un sonar latéral à voies préformées parallèles lorsque les émissions sont codées selon l'invention.
En acoustique sous-marine, il est connu d'utiliser un 5 sonar latéral à voies préformées parallèles monté sur un poisson remorqué pour obtenir une ~nage du fond marin. Dans ce cas il n'y a pas rotation des antennes au cours du temps, mais cette rotation est remplacée par le mouvement du porteur. L'invention permet alors d'augmenter 18 vitesse du porteur et la cadence 10 image ou de ne former qu'une seule voie en gardant la même cadence image.
Pour obtenir un ~ecteur d'observation complet dans le cas du sonar latéral, il est simplement nécessaire de prolonger le temps d'observation de 3dmax/4C, ce qui correspond à la 15 phase d'acquisition.
Un sonar destiné à équiper un véhicule de faible coût, bien que performant, doit etre aussi de faible coî~t; le choix se porte alors sur un sonar monofaisceau a balayage mecanique car la formation de voies est toujours onéreuse étant donné
20 qu'elle nécessite un nombre important de chaînes de réception en parallèle .
A titre d'exemple, le~ caractéristique~ d'un mode de réalisation du sonar selon l'invention ont été choisies telles que la portee est de 75m, la résolution en gisement est de 15, 25 le secteur d'observation est de 60, le temp~ d'observation du secteur est de 1s, la resolution en di~tance est de 0,2m. Pour la realisation, il a été cholsi, ~en ut~ ant les règles de calcul de~ systèmes acoustique~ bien COnIlUQ3 de l'art antérieur, une ~réquence de fonctionnement de 750kHz, une durée 30 d'impulsion de 250,us, une bande de réception de 4kHz et un balayage mécanique sur 60.
L'utilisation en monovoie demandant 4s pour générer une image, le procédé selon l'inventis~n a été appliqué en choisissant n=4. Dans ce cas, la vitesse de rotation de 35 l'antenne est de 60/s.
WO 90/09600 ~ 0 ~ 6 2 7 ~ PCr/FR90/00111 Pour réaliser un tel sonar, une solution simple consiste à choisir un - ~ de fréquences pures distinctes, soit quatre fréquences, dsns la bande de réception du sonar. Avec les technologies actuelles en acoustique, un sonar peut fonctionner dans une bande de fréquences égale à 40% de la fréquence de fonctionnement, soit dans une bsnde égale à
300kHz pour la fréquence de onctionnement choisie égale à 750 kHz. En fait, dans cet exemple de réalisation, seulement le quart de cette bande possible est utillsé, soit 75kHz, les bandes de réception étant distantes de 25kHz. Mais il est possible d'augmenter le nombre de fréquences de ce sonar ~usqu'a n=16, c'est-à-dire de faire en monovoie l'équivalent d'un sonar à 16 voies préformées.
La Eigure S représente un exemple de distribution des fréquences d'émission dans le temps.
Les fréquences choisies sont les suivantes : 700kHz, 725kHz, 750kHz et 7751cHz~ Ce choix est effectué de façon dissymétrique pour éviter les fréquences trop élevées dont l'absorption est importante~ Une émission est déclenchée toutes les 25 millisecondes soit l'équivalent de 18,75m sur le terrain.
Le synoptique général de ce sonar, représenté sur la figure 6, comprend une chaîne d'émission reliés à l'antenne d'émission, 20, et une chaîne de réception reliée à l'antenne de réception, 30. Les deux antennQs sont représentées colinésires mais elles peuvent être ` ~éparées. ~Elles sont constituées de transducteurs acoustiques transfo~mant en émission le signal . électrique reçu en onde acoustique, ou transformant en réception l'onde acoustique en sigrial électrique.
~- L'antenne ; d'émi~sion, 20, comprend un seul transducteur acoustique` 1, servant à la fois à l'émission et à
la réception, mais une partie seulement du transducteur, 1, sera utilisée à l'émission pour couvrir un secteur angulaire égal à
6 80it l'équivalent de 4 voies. Ls directivité de l'sntenne à
l'émission ne sera en fait que de 12 pour des raisons de symétrie et pOUI pouvoir explorer l'espace dans les deux sens.
WO 90/09600 2 ~ 4 5 2 ~ ~ PCI /FR90/00111 Un moteur, 2, muni de son électronique de colT~nande,
Si, par contre, plusieurs émissions successives sont l 5 effectuées au cours de la propagation et qu'un code particulier est affecté ~ chacune d'entre elles pour les distinguer, }es codes n'étant pas corrélés, il devient alors possible de tourner l'antenne de réception entre l'émission et la fin de la réception, d'un angle A supérieur à eR et d'augmenter 20 ainsi la cadence image. Un code facile à réaliser consiste, psr exemple, à émettre des frequences pures distinctes.
La figure 2 représente le diagralT~ne des impulsions d'émi~sion en fonction du temps ainsi que la position des antennes en fonction du temps Chaque émission est affectée 25 d'un code de fréquences distincte~ C1 à Cn. Pendant le temps qui ~'écoule entre l'émission d'un code et la fin ds la - , réception du même code, les antennes d'émission et de réception, choisies colinéaires, continuent de tournèr de façon que la cadence d'émis~ion ~--des - codeY correYponde au temps mis par 30 l'antenne de réception pour passer du secteur de largellr angulaire ~R courant à un secteur de largeur angulaire ~R suivant dans le sens d'evolution de l'antenne de réception. Les positions sngulaires de l'axe de l'antenne de réception ~ 2~ ~n~ n'~2 ~3n etc.. sont 35 représentees en fonction du temps en considérant qu'elles sont WO 90/09600 2 0 ~ 6 2 7 ~ PCI /FR90/00111 respectivement en synchronisme avec les émissions d'impulsions - de code C1, C2, . Cn, C1, C2, La figure 3 représente la zone de terrsin observée par un sonar mono-faisceau à ~mpulsions et ~ balayage mécanique 5 tournant pour des positions d'axes d'antenne de réception progressant de ~ n en fonction du code érnis C1 à Cn. Pour la clarté de la figure, n a été choisi n~4 La cadence d'én~is3ion est n fois plus grande et la portee maximale dmax du sonar, pour chaque code, est n fois 10 plus faible que les valeur~ correspondantes obtenues lorsque les émissions ne ~ont pas codées. De même, la vitesse de rotation maximale des antennes d'un ~onar étant inversement proportionnelle à la portée maximale, il est alors possible d'augmenter la Yltesse de rotation v deæ antennes d'un facteur n 15 par rapport à un ~onar à emission non codée, soit v = nORC/2dmax, C étant la `vitesse du son dans l'eau, et chaque code est reçu dans un secteur de largeur angulaire eR psndant une durée égale à 2dmax/nC. Pour une position d'axe d'antenne de réception ~k~ k étant compris 20 entre 1 et n, les échos des n codes précédemment émis sont reç~s dans le secteur angulaire OR centré sur l'axe ~k. Les échos de ces n codes proviennent de régions de l'espace différentes, c~ntigues selon l'axe de réception ~k et qui ont une profondeur egale à dmax/n. Ces régions 25 corre~pondent au temps nécessair~ aux ondes acoustiques codées émi~e~ pour se propager 3u3qu'à leur portée maximale dmax/n, atre réfléchles par un éventuel obstacle et être reçues dans le ~ecteur ~R centré sur la position d'axe d'antenne de - ; réception. -: ~r- j, Dans la position d'axe ~1~ l'antenne de réception reçoit le signal de code Cl i89U de 18 zone hachurée comprise entre 0 et dmax/n.
Dans la position d'axe 2' elle reçoit le signal de code C2 issu de la zone comprise entre 0 et dmax~n - . .. . - .
WO 90/09600 2 0 4 6 ~ 7 ~ PCI /FR90/OOl l l ~
et le signal de code C1 issu de la zone hachurée comprise entre dmax/n et 2dmax/n, et ainsi de suite jusqu'a la position ~n où elle reçoit le signal dè code Cn issu de la zone comprise entre 0 et dmax/n, le signal de code Cn 1 issu de la 5 zone comprise entre dmax/n et 2dmax/n , etc . . ., le signal de code C1 issu de la zone comprise èntre (n-1) dmax/n et dmax.
Sur la flgure 3 une légende illustre les codes des signaux issus des différentes zones.
En se reportant à la figure 3~ il est à noter qu'au 10 début et à la fin de rotation des antennes, le secteur d'observation présente des "trous", 40, et ses bords sont en forme de marches d'escalier. CQS "trous" correspondent au temps necQsgaire au signsl de code C1 et au signal correspondant au dernier code émis pour stteindre la distance dmax. Il faut en 15 tenir compte en prévoyant une rotation plus grande par rspport au secteur d'observation voulu.
Ce procédé est applicable à tout système sonar quelles que soient ses caractéri~tiques essentielles telles que sa fréquence, sa portée et sa résolution.
Le codage en fréquence peut être quelconque, dans la pratique pour des raisons d~ simplicité, un code de fréquences pures sera choisi afin que le sonar conserve sa caractéristique impulsionnelle donc sa bonne résolution en dlstance ( ce qui n'est pas le cas des di~positifs CTPM).
La complexité du sonar est très pQU augmentée, les antennes restent identiques, une ~eule voie de réception est conservée, il faut simplement f~ltrer le signal en fonction de la positloIl d'antenne donc du temps.
Par ailleurs, comme pour les sonars à voies préformées, il est nécessaire d'insonifier un secteur plus large, solt exactement n~R.
Comme pour les autres procédés, les antennes d'émission et de réception peuvent etre colinéaires ou partiellement communes.
WO 90/09600 ~ O ll 5 2 7 ~ PCI /FR9û/00111 La figure 4 représente la zone de terrain observee par un sonar latéral à voies préformées parallèles lorsque les émissions sont codées selon l'invention.
En acoustique sous-marine, il est connu d'utiliser un 5 sonar latéral à voies préformées parallèles monté sur un poisson remorqué pour obtenir une ~nage du fond marin. Dans ce cas il n'y a pas rotation des antennes au cours du temps, mais cette rotation est remplacée par le mouvement du porteur. L'invention permet alors d'augmenter 18 vitesse du porteur et la cadence 10 image ou de ne former qu'une seule voie en gardant la même cadence image.
Pour obtenir un ~ecteur d'observation complet dans le cas du sonar latéral, il est simplement nécessaire de prolonger le temps d'observation de 3dmax/4C, ce qui correspond à la 15 phase d'acquisition.
Un sonar destiné à équiper un véhicule de faible coût, bien que performant, doit etre aussi de faible coî~t; le choix se porte alors sur un sonar monofaisceau a balayage mecanique car la formation de voies est toujours onéreuse étant donné
20 qu'elle nécessite un nombre important de chaînes de réception en parallèle .
A titre d'exemple, le~ caractéristique~ d'un mode de réalisation du sonar selon l'invention ont été choisies telles que la portee est de 75m, la résolution en gisement est de 15, 25 le secteur d'observation est de 60, le temp~ d'observation du secteur est de 1s, la resolution en di~tance est de 0,2m. Pour la realisation, il a été cholsi, ~en ut~ ant les règles de calcul de~ systèmes acoustique~ bien COnIlUQ3 de l'art antérieur, une ~réquence de fonctionnement de 750kHz, une durée 30 d'impulsion de 250,us, une bande de réception de 4kHz et un balayage mécanique sur 60.
L'utilisation en monovoie demandant 4s pour générer une image, le procédé selon l'inventis~n a été appliqué en choisissant n=4. Dans ce cas, la vitesse de rotation de 35 l'antenne est de 60/s.
WO 90/09600 ~ 0 ~ 6 2 7 ~ PCr/FR90/00111 Pour réaliser un tel sonar, une solution simple consiste à choisir un - ~ de fréquences pures distinctes, soit quatre fréquences, dsns la bande de réception du sonar. Avec les technologies actuelles en acoustique, un sonar peut fonctionner dans une bande de fréquences égale à 40% de la fréquence de fonctionnement, soit dans une bsnde égale à
300kHz pour la fréquence de onctionnement choisie égale à 750 kHz. En fait, dans cet exemple de réalisation, seulement le quart de cette bande possible est utillsé, soit 75kHz, les bandes de réception étant distantes de 25kHz. Mais il est possible d'augmenter le nombre de fréquences de ce sonar ~usqu'a n=16, c'est-à-dire de faire en monovoie l'équivalent d'un sonar à 16 voies préformées.
La Eigure S représente un exemple de distribution des fréquences d'émission dans le temps.
Les fréquences choisies sont les suivantes : 700kHz, 725kHz, 750kHz et 7751cHz~ Ce choix est effectué de façon dissymétrique pour éviter les fréquences trop élevées dont l'absorption est importante~ Une émission est déclenchée toutes les 25 millisecondes soit l'équivalent de 18,75m sur le terrain.
Le synoptique général de ce sonar, représenté sur la figure 6, comprend une chaîne d'émission reliés à l'antenne d'émission, 20, et une chaîne de réception reliée à l'antenne de réception, 30. Les deux antennQs sont représentées colinésires mais elles peuvent être ` ~éparées. ~Elles sont constituées de transducteurs acoustiques transfo~mant en émission le signal . électrique reçu en onde acoustique, ou transformant en réception l'onde acoustique en sigrial électrique.
~- L'antenne ; d'émi~sion, 20, comprend un seul transducteur acoustique` 1, servant à la fois à l'émission et à
la réception, mais une partie seulement du transducteur, 1, sera utilisée à l'émission pour couvrir un secteur angulaire égal à
6 80it l'équivalent de 4 voies. Ls directivité de l'sntenne à
l'émission ne sera en fait que de 12 pour des raisons de symétrie et pOUI pouvoir explorer l'espace dans les deux sens.
WO 90/09600 2 ~ 4 5 2 ~ ~ PCI /FR90/00111 Un moteur, 2, muni de son électronique de colT~nande,
3, entraîne les antennes sur 60.
La chaîne d'émission comprend:
- un générateur de fréquences, 4, qui élabore les fréquences de 700kHz, 725kHz, 750kHz, et 775kHz;
- un découpeur de signaux, 5, qui forme les impulsions à
émettre. Afin d'éviter que 12S impulsions émises perturbent les secteur~ de réception chaque impul~ion est poIldéree dans le temps pour générer des lobQs secondaires fréquentiels les plus bas possibles. La pondération utilisée est de Gauss ou de Hsmll~ing, ou d'autres ponderation~ conmles;
- un amplificateur de puissance, 6, qui envoie l'énergie électronique à la partie émission de l'antenne;
- un séquenceur, 7, déclenche les séquences en temps opportun et assure la synchronisstion de tout le sonar.
La chaîne de réception comprend ~
- des tran~ducteur~ de reception formant l'antenne de réception auxquels est connecté un préa nplificateur lineaire, 8, qui reçoit simultanément le~ 4 fréquenc0s et qui possede un filtre laissant passer ces 4 fréquences, ~ re3ection pour toutes les fréquences qui ne sont pa~ comprises entre 698kHz et 777kHz.
Ce préamplificateur pos~ède un sigIlal d'inhibition qui est actif lorsque l'émi3~ion se produit. Il y aura donc absence de réception pendant les 4 emissions, soit pendant un temps très cc~urt (4X250~18) ce qui repré~ente 1~ du tempQ. Cette inhibition e~t néce~aire car il y a une grande différence d'amplitude entre le signal émis et le signal reçu (de 120dB à 150dB ) et il n'est pas possible de faire de la reception pendant l'émission.
CQ . ~réamP1ifiCateUr - 8 possède un gain variable avec le temps pour compenser les pertes psr absorption. Sl l'absence de réception pendant le~ émlssions est intolérable, il est possible de doubler le nombre de codes émis n et de changer la synchronisation d'émission, en 18 déplaçsnt d'une demi-récurrence soit de 12, 5ms, toutes les n emissions et de 35 reconstituer ainsi une image sans inhlbition toutes les 2n WO 90/09600 2 ~ ~ ~3 ~ 7 ~ PCI /FR90/00111 récurrences. Dans ce cas l'antenne doit tourner deux fois plus vite et seulement une image sur deux est présentée complete;
- quatre filtres, 9 à 12, permettant de reconstituer en temps réel l'image complète sur les 75m de propagation. Ainsi, par 5 exemple, le premier filtre restituera le signal entre 0 et 18,75m le deuxième entre 18,75m et 37,5m, le troisième entre 37,5m et 56,25m et le quatrième entre 56,25m et 75m. Une attention toute particulière sera portée à la qualité de ces filtres qui doivent posséder une grande dynamique, de l'ordre lO de 80dB, et une faculté de réjection des fréquences voisines de l'ordre de 60dB. En l'état actuel de la technique, les filtres à
quartz sont très bien adaptés à ce problème;
- enfin, les signaux iS8US des quatre filtres subissent un traitement classique effectué dans un circuit de traitement, 13, 15 tel qu'un contrôle précis de l'amplitude des signaux par un régulateur d'amplltude, la détection, l'intégration pour éliminer les fluctuations rapides du signal et améliorer le rapport signal à bruit, la numérisation pour convertir le signal analogique en signal numérique~
Les signaux issu~ de ce clrcuit de traitement, 13, sont alors présentés sur un dispo~itif de visualisation.
Le ~ystème décrit dans cet exemple reflète une réalisation classiquQ analogique de la partie réception. Il est également possible d'utillser un système de conversion ~2S analogique numérlque en ~ortle du préamplificateur, 8, avec .. filtrage et traitement numérlque.
Par ailleurs, un changement de fréquence ou une démo~lulation quelconque peuvent atre aussi envisagés. Les . j traitementY equlvalents à celui précisement décrit,` lne remettent -pas en cause l'application du procédé.
Enfin, l'lnventlon ne se limite pas à un code de fréquences pures, 11 est posslble d'utiliser d'autres codes, par exemple un code de fréquences modulées disjointes.
La chaîne d'émission comprend:
- un générateur de fréquences, 4, qui élabore les fréquences de 700kHz, 725kHz, 750kHz, et 775kHz;
- un découpeur de signaux, 5, qui forme les impulsions à
émettre. Afin d'éviter que 12S impulsions émises perturbent les secteur~ de réception chaque impul~ion est poIldéree dans le temps pour générer des lobQs secondaires fréquentiels les plus bas possibles. La pondération utilisée est de Gauss ou de Hsmll~ing, ou d'autres ponderation~ conmles;
- un amplificateur de puissance, 6, qui envoie l'énergie électronique à la partie émission de l'antenne;
- un séquenceur, 7, déclenche les séquences en temps opportun et assure la synchronisstion de tout le sonar.
La chaîne de réception comprend ~
- des tran~ducteur~ de reception formant l'antenne de réception auxquels est connecté un préa nplificateur lineaire, 8, qui reçoit simultanément le~ 4 fréquenc0s et qui possede un filtre laissant passer ces 4 fréquences, ~ re3ection pour toutes les fréquences qui ne sont pa~ comprises entre 698kHz et 777kHz.
Ce préamplificateur pos~ède un sigIlal d'inhibition qui est actif lorsque l'émi3~ion se produit. Il y aura donc absence de réception pendant les 4 emissions, soit pendant un temps très cc~urt (4X250~18) ce qui repré~ente 1~ du tempQ. Cette inhibition e~t néce~aire car il y a une grande différence d'amplitude entre le signal émis et le signal reçu (de 120dB à 150dB ) et il n'est pas possible de faire de la reception pendant l'émission.
CQ . ~réamP1ifiCateUr - 8 possède un gain variable avec le temps pour compenser les pertes psr absorption. Sl l'absence de réception pendant le~ émlssions est intolérable, il est possible de doubler le nombre de codes émis n et de changer la synchronisation d'émission, en 18 déplaçsnt d'une demi-récurrence soit de 12, 5ms, toutes les n emissions et de 35 reconstituer ainsi une image sans inhlbition toutes les 2n WO 90/09600 2 ~ ~ ~3 ~ 7 ~ PCI /FR90/00111 récurrences. Dans ce cas l'antenne doit tourner deux fois plus vite et seulement une image sur deux est présentée complete;
- quatre filtres, 9 à 12, permettant de reconstituer en temps réel l'image complète sur les 75m de propagation. Ainsi, par 5 exemple, le premier filtre restituera le signal entre 0 et 18,75m le deuxième entre 18,75m et 37,5m, le troisième entre 37,5m et 56,25m et le quatrième entre 56,25m et 75m. Une attention toute particulière sera portée à la qualité de ces filtres qui doivent posséder une grande dynamique, de l'ordre lO de 80dB, et une faculté de réjection des fréquences voisines de l'ordre de 60dB. En l'état actuel de la technique, les filtres à
quartz sont très bien adaptés à ce problème;
- enfin, les signaux iS8US des quatre filtres subissent un traitement classique effectué dans un circuit de traitement, 13, 15 tel qu'un contrôle précis de l'amplitude des signaux par un régulateur d'amplltude, la détection, l'intégration pour éliminer les fluctuations rapides du signal et améliorer le rapport signal à bruit, la numérisation pour convertir le signal analogique en signal numérique~
Les signaux issu~ de ce clrcuit de traitement, 13, sont alors présentés sur un dispo~itif de visualisation.
Le ~ystème décrit dans cet exemple reflète une réalisation classiquQ analogique de la partie réception. Il est également possible d'utillser un système de conversion ~2S analogique numérlque en ~ortle du préamplificateur, 8, avec .. filtrage et traitement numérlque.
Par ailleurs, un changement de fréquence ou une démo~lulation quelconque peuvent atre aussi envisagés. Les . j traitementY equlvalents à celui précisement décrit,` lne remettent -pas en cause l'application du procédé.
Enfin, l'lnventlon ne se limite pas à un code de fréquences pures, 11 est posslble d'utiliser d'autres codes, par exemple un code de fréquences modulées disjointes.
Claims (10)
1. Procédé pour augmenter d'un facteur n la cadence image d'un sonar ayant une portée maximale dmax et comportant une antenne d'émission mobile couvrant un secteur de largeur angulaire .theta.E courant et une antenne de réception mobile couvrant un secteur de largeur angulaire .theta.R courant centré selon un axe évoluant comme l'antenne de réception, dit axe de l'antenne de réception, caractérisé en ce qu'il consiste:
- à émettre, sous forme d'impulsions, n codes successifs (C1 à
Cn) non corrélés dans un secteur de largeur angulaire .theta.E
courant exactement égal à n.theta.R, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps de façon que la cadence d'émission des codes corresponde au temps mis par l'antenne de réception pour passer du secteur de largeur angulaire .theta.R courant à un secteur de largeur angulaire .theta.R suivant dans le sens d'évolution de l'antenne de réception ;
- et à recevoir dans le secteur de largeur angulaire .theta.R
courant les échos de ces n codes provenant de n zones de propagation contigües selon l'axe de l'antenne de réception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles ayant une profondeur égale à dmax/n.
- à émettre, sous forme d'impulsions, n codes successifs (C1 à
Cn) non corrélés dans un secteur de largeur angulaire .theta.E
courant exactement égal à n.theta.R, les antennes d'émission et de réception continuant d'évoluer pendant ce temps de façon que la cadence d'émission des codes corresponde au temps mis par l'antenne de réception pour passer du secteur de largeur angulaire .theta.R courant à un secteur de largeur angulaire .theta.R suivant dans le sens d'évolution de l'antenne de réception ;
- et à recevoir dans le secteur de largeur angulaire .theta.R
courant les échos de ces n codes provenant de n zones de propagation contigües selon l'axe de l'antenne de réception, et dans l'espace compris entre 0 et dmax, chacune d'entre elles ayant une profondeur égale à dmax/n.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les codes successifs sont des fréquences pures distinctes.
3. Sonar pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une antenne d'émission (20) et une antenne de réception (30), une chaîne d'émission reliée à l'antenne d'émission (20), une chaîne de réception reliée à l'antenne de réception (30), caractérisé
en ce que la chaîne d'émission comprend, en série :
- un générateur de fréquence (4) commandé par un séquenceur (7) pour élaborer les codes de fréquences, - un découpeur de signaux (5) commandé par le séquenceur (7) pour mettre en forme les impulsions à émettre;
- et un amplificateur (6) relié à l'antenne d'émission (20).
en ce que la chaîne d'émission comprend, en série :
- un générateur de fréquence (4) commandé par un séquenceur (7) pour élaborer les codes de fréquences, - un découpeur de signaux (5) commandé par le séquenceur (7) pour mettre en forme les impulsions à émettre;
- et un amplificateur (6) relié à l'antenne d'émission (20).
4. Sonar selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chaîne de réception comprend, en série :
- un pré-amplificateur linéaire (8) relié à l'antenne de réception, commandé par le séquenceur (7), et de bande assez large pour laisser passer toutes les fréquences des codes, - des filtres (9) à (12) reliés au pré-amplificateur (8) et respectivement centré sur les différentes fréquences du code pour reconstituer en temps réel l'image complète du secteur d'observation correspondant, sur la profondeur de propagation dmax, - un circuit de traitement (13) du signal reconstitué par les différents filtres (9) à (12) comportant des opérations de traitement analogique du signal telles que contrôle de l'amplitude, détection, intégration, numérisation.
- un pré-amplificateur linéaire (8) relié à l'antenne de réception, commandé par le séquenceur (7), et de bande assez large pour laisser passer toutes les fréquences des codes, - des filtres (9) à (12) reliés au pré-amplificateur (8) et respectivement centré sur les différentes fréquences du code pour reconstituer en temps réel l'image complète du secteur d'observation correspondant, sur la profondeur de propagation dmax, - un circuit de traitement (13) du signal reconstitué par les différents filtres (9) à (12) comportant des opérations de traitement analogique du signal telles que contrôle de l'amplitude, détection, intégration, numérisation.
5. Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pré-amplificateur (8) possède un signal d'inhibition qui est actif lorsque l'émission se produit.
6. Sonar selon la revendication 4, caractérisé en ce que les filtres (9) à (12) sont des filtres à quartz.
7. Sonar selon l'une quelconque des revendications 3 à
6, caractérisé en ce que les antennes d'émission et de réception sont colinéaires ou partiellement communes.
6, caractérisé en ce que les antennes d'émission et de réception sont colinéaires ou partiellement communes.
8. Sonar selon l'une quelconque des revendications 3 à
7, caractérisé en ce qu'il est un sonar monofaisceau frontal, les antennes d'émission et de réception mobiles étant tournantes.
7, caractérisé en ce qu'il est un sonar monofaisceau frontal, les antennes d'émission et de réception mobiles étant tournantes.
9. Sonar selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est à impulsions, à balayage mécanique et à émission à
large secteur et multifréquences.
large secteur et multifréquences.
10. Sonar selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est un sonar latéral à voies parallèles, les antennes d'émission et de réception étant mobiles du fait du mouvement du porteur.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8902080 | 1989-02-17 | ||
| FR8902080A FR2643464B1 (fr) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Procede pour augmenter la cadence image d'un sonar et sonar pour la mise en oeuvre de ce procede |
Publications (1)
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|---|---|
| CA2046273A1 true CA2046273A1 (fr) | 1990-08-18 |
Family
ID=9378876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA002046273A Abandoned CA2046273A1 (fr) | 1989-02-17 | 1990-02-16 | Procede pour augmenter la cadence image d'un sonar et sonar pour la mise en oeuvre de ce procede |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5163026A (fr) |
| EP (1) | EP0458885A1 (fr) |
| CA (1) | CA2046273A1 (fr) |
| FR (1) | FR2643464B1 (fr) |
| WO (1) | WO1990009600A1 (fr) |
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