FR2540636A1 - Formation de voies sonar par des dispositifs a transfert de charges - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE FORMATION DE VOIES ANGULAIRES POUR SONAR HAUTE FREQUENCE UTILISANT DES LIGNES A RETARD A TRANSFERT DE CHARGES DE FREQUENCE D'ECHANTILLONNAGE F. LES SIGNAUX RECUS PAR CHACUN DES N TRANSDUCTEURS 30.L,... 30.N FORMANT L'ANTENNE DU SONAR SONT APPLIQUES A UNE LIGNE A RETARD A M ETAGES 30.I, L IN. LA SORTIE DE CHAQUE ETAGE EST RELIE A UNE PORTE COMMANDEE P, LE SIGNAL RETARDE S(T - T) DE RETARD T ETANT SORTI DANS L'INTERVALLE DE TEMPS T LF. LES PORTES SONT COMMANDEES PAR UN ADRESSAGE FOURNI PAR DES MEMOIRES 32.I RECEVANT SES VALEURS D'UN PROCESSEUR 33. LES SIGNAUX RETARDES SONT SOMMES DANS UN SOMMATEUR 34 POUR FOURNIR SEQUENTIELLEMENT N SIGNAUX DE VOIES V,... V A LA CADENCE T. APPLICATION A LA TECHNIQUE SONAR A ANTENNES LINEAIRES.

Description

FORMATION DE VOIES SONAR PAR DES DISPOSITIFS
A TRANSFERT DE CHARGES
L'objet de la présente invention est un dispositif de formation de voies angulaires pour sonars, utilisant la technique des lignes à retard à transfert de charge.

Cette invention s'applique plus particulièrement à des sonars, cornportant des antennes planes ou linéaires pour lesquels on doit former un grand nombre de voies 100, par exemple.

Une voie formée correspond à une réception autour d'une direction avec un diagramme de directivité dont la largeur angulaire à 3dB d'atténuation du maximum de sensibilité est approximativement égale à /\ IL, si A est la longueur d'onde du signal reçu et L la longueur de l'antenne. I1 est connu que le signal d'une voie est obtenu par compensation des retards relatifs, par rapport à la direction choisie, des signaux électriques fournis par les tranducteurs, ou hydrophones, formant l'antenne.

Il est connu d'utiliser comme lignes à retard des registres à décalage numériques ou des dispositifs analogiques à transfert de charge.

Dans les dispositifs à transfert de charge (DTC) les signaux sont traités sous la forme d'échantillons analogiques et sont échantillonnés dans le temps sous controle d'un signal d'horloge de fréquence fH.

Les caractéristiques principales des lignes utilisent des dispositifs à transfert de charge sont : la fréquence de fonctionnement ou d'échantillonnage fH, le nombre d'étages M et la dynamique dans la bande (0, fi/2).

Pour ces lignes à transfert de charge, les signaux retardés sont obtenus par des prises aux étages correspondant aux retards nécessaires. Le nombre d'étages M dépend ainsi du retard maximum tmax, qu'il faut obtenir compte tenu de la fréquence d'échantillonnage fH.

Ces dispositifs conviennent bien à la réalisation de lignes à retards. lis sont aussi très utilisés en traitement du signal comme filtres transversaux programmables ou non.

I1 est connu de réaliser la formation de voies au moyen de lignes à retards à transfert de charges. Dans le cas d'une antenne circulaire les signaux des hydrophones de l'antenne sont mis en série par multiplexage et retardés au moyen d'une seule ligne à retard à transfert de charge, comportant des sorties à différents étages préalablement déterminés en fonction des retards à appliquer aux signaux des hydrophones. Cependant cette technique de traitement de série n'est pas applicable à une antenne linéaire pour laquelle les retards à appliquer aux signaux d'hydrophones changent avec la voie à former. Dans ce cas il faut utiliser une ligne à retard par hydrophone donc un traitement parallèle.

La figure 1 montre à titre d'exemple une antenne linéaire, de longueur L, composée de N hydrophones H. On se propose de former un nombre N v de voies, dans un secteur angulaire 20max, symétriquement par rapport à l'axe x x', normal à l'antenne. Les voies formées Vkont une largeur angulaire Q et se recoupent entre elles à - 3 dB. On a représenté sur la
v figure la plus grande différence de marche à compenser P. On trouve pour le retard maximum à compenser #max = P/C, où C la vitesse des ondes dans le milieu de propagation : #max = L . sin #max = L . Nv . #o = Nv (1)
C C 2 L 2fo où f0 est la fréquence centrale du signal et A la longueur d'onde dans le
o milieu de propagation.

On considère une ligne à retard par hydrophone. Le nombre d'étages minimum M min par ligne est égal à:
mln
min max H
La fréquence fH est liée à la précision des retards qu'il faut respecter, pour ne pas avoir un relèvement trop important du niveau des lobes secondaires de la voie formée. Soit tmin la valeur minimale du retard, il faut fH # l/#min (3). Un ordre de grandeur de min est 0,1 I f0' où l'on ne considère que la fréquence centrale du signal fO, la bande de fréquence relative étant faible.

La relation (2) devient M min = 5 Nv d'après (l) et (3). Si Nv = 100 le nombre d'étages est égal à 500. Compte tenu de l'inefficacité de transfert entre étages, cette valeur est réaliste. Cependant les lignes à retard à transfert de charges qui comportent un nombre d'étages de cet ordre (jusqu'à 500 environ) ne présentent aucune souplesse dans l'état actuel de la technique. II faut autant de sorties sur chaque ligne à retard que de voies à former. Ainsi pour 100 voies il faut 100 sorties à-prévoir sur un boAltier, ce qui présente de sérieuses difficultés, voire une impossibilité. De plus pour former les voies, le nombre de connexions est NvxN ce qui représente un nombre important pouvant atteindre 10.000.

Pour remédier à ces inconvénients le dispositif de formation de voies, suivant l'invention réalise, un traitement parallèle des signaux d'hydrophones en utilisant pour chaque hydrophone une ligne à retard adressable capable de "sortir" le signal retardé dans l'intervalle de temps correspondant à une période d'horloge TH. Selon l'invention un signal de voie différent est obtenu à chaque période TH par sommation des N signaux retardés, un seul sommateur traitant séquentiellement les signaux pour obtenir les N v signaux de voies dans la période d'échantillonnage du signal d'entrée.

Il est connu de réaliser ces lignes à transfert de charges à M étages comportant un adressage permettant de lire la charge d'un seul étage parmi les M étages.

Brièvement c'est un dispositif de formation de voies angulaires pour sonar haute fréquence comportant une antenne formée de N hydrophones utilisant des lignes à retard à transfert de charges, les N signaux reçus par les N hydrophones dans une bande de fréquence B autour de la fréquence centrale fO étant retardés de T ik pour former Nv signaux de voies, caractérisé par le fait que chaque signal d'hydrophone est appliqué à une ligne à retard à transfert de charges fonctionnant à la fréquence fH, ayant
M étages, dont chaque sortie communique par une porte, commandée par un adressage avec une connexion de sortie et que le signal convenablement retardé est obtenu sur la connexion de sortie dans l'intervalle de temps TH = l/fH, une porte assure la commutation de iecture sur l'étage, dont le rang est défini par l'adresse et qu'une mémoire contenant tous les retards à compenser pour former les Nv voies commande l'adressage de chaque ligne à retard et qu'il comporte un sommateur analogique à N entrées rec-evant les signaux retardés et fournissant les signaux de voies multiplexés à la fréquence fH.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre illustrée par les figures qui représentent
- Figure 1, le schéma d'une antenne linéaire, montrant les retards maximums à compenser pour la formation de voies
- Figure 2, le schéma d'une ligne à transfert de charge adressable ;
- Figure 3, un exemple de réalisation d'une formation de voies par des lignes à transfert de charges adressables, suivant l'invention,
- Figure 4, un diagramme explicatif;
- Figure 5, un circuit de démodulation complexe pour formation de voies;
- Figure 6, le schéma d'une variante de l'invention.

La figure 2 représente le schéma de la ligne à retard de ce type 20 utilisée pour la formation de voies. Une telle ligne à retard permet d'adresser et de commuter individuellement chaque étage E1,... Er,... EM permettant ainsi d'accroître dans de grandes proportions la vitesse de fonctionnement. Elle se compose de 3 parties pilotées par une horloge H de période TH : un registre analogique à transfert de charge comportant M étages avec M = 2n, chaque étage Er retardant de TH le signal d'entrée analogique S ; au niveau de chaque étage un ensemble 21 assurant la lecture des charges et leur commutation vers la sortie R et une logique d'adressage 22 d'une seule lecture parmi les 2n possibles avec n entrées d'adresses en parallèle 220.

La charge contenue dans chacun des 2n étages est lue à travers une "porte" Pr, les 2n portes étant reliées à une connexion commune R, une porte assure la commutation de lecture sur l'étage, dont le rang est défini par l'état des n bits de commande. On a ainsi un circuit réalisant, avec une programmation numérique, un retard analogique #r choisi parmi TH, 2TH 2TH.

Les caractéristiques d'une telle ligne à retard sont
maximum = 5 MHz
- fréquence de commutation égale à
- M = nombre d'étages = 256 à 512.

Selon une caractéristique de l'invention, la formation de voies proposée utilise ce type de ligne à retard programmable.

La figure 3 représente schématiquement la réalisation préférée de la formation de voies proposée.

Les N signaux Sl,... SNf reçus par les N hydrophones 30.1, 30.2,...

30.N, préalablement amplifiés et filtrés, sont envoyés dans N lignes à retard programmable 31.1, 31.2,...31.N du type décrit précédemment. Chaque ligne à retard 31.i (14 i (N) est adressée en 37.i à partir d'une mémoire 32.i contenant N v mots (N v nombre de voies à former) chaque mot étant la valeur du retard ik à appliquer au signal de l'hydrophone 30.i pour la voie d'ordre k Les valeurs des retards sont fournies par un circuit de type processeur 33 qui prend en compte les données pour la stabilisation des voies et la focalisation.

La valeur du retard t ik fixe l'état des n bits de commande 37.i de chaque ligne à retard 31.i. L'échantillon analogique retardé Si (t -%ik) est obtenu en sortie de chaque ligne à retard dans la période de l'horloge H.

Avantageusement, la fréquence de la partie numérique fournissant l'adresse des retards est prise égale à la fréquence fH de la ligne à retard
Un seul signal d'horloge, non représenté sur la figure, pilote et synchronise - l'ensemble des circuits du dispositif.

A chaque période d'horloge TH, le retard appliqué à chaque ligne est changé. Pendant cette période les N signaux analogiques retardés de
#2k,... #Nk sont envoyés en parallèle sur les N entrées d'un sommateur analogique 34. En sortie du sommateur 34 on obtient à l'instant t et dans l'intervalle de temps TH, un échantillon de la voie Vk donné par:

avec #ik = mik TH mik étant un entier compris entre 1 et M.

On forme ainsi N v échantillons de voie, un pour chacune des N v voies séquentiellement à la cadence TH. En sortie du sommateur le signal, formé de ces-échantillons de voie en série, est envoyé sur Ny échantillonneurs bloqueurs Iî, Il... N de temps de montée inférieur à TH fonctionnant à la fréquence fH/Nv qui est la frequence d'échantillonnage de chaque voie.

Chaque signal de voie est ensuite traité dans N v circuits 35.1, 3502 ... Nv de manière connue puis appliqué au dispositif d'exploitation 36, pour être par exemple visualisé.

Une pondération en amplitude des signaux S est généralement appliquée soit en amont des lignes à retard, soit en aval.

Si T5 est la période d'échantillonnage du signal de voie, on a:
T Nv s
H
Si le signal a une bande B, le théorème d'échantillonnage impose 1/T5 > 2B.

D'où TH#1/2.B Nv (5)
Par exemple avec B = 20 KHz et N v = 100, on obtient TH#0,25 s, soit H > 4 MHz valeur inférieure à la fréquence maximum admissible (5 MHz).

Cette même relation (5) permet de déterminer le nombre de voies maximum que l'on peut former pour une bande passante B avec le dispositif qui vient d'être décrit est donné par (4) et (5) soit
Nv # fH (6)
2B
Par ailleurs, en considérant une antenne linéaire, le retard maximum qu'il faut appliquer à une signal d'hydrophone est donné par (1) soit:
N
# max # Nv (7)
2 fo avec ces deux inégalités, on obtient:
fH (8)
B #max # 4 fo
En outre il faut satisfaire à l'inégalité, imposée par la ligne à retard:
# max # 2n (9)
H
On a vu précédemment que pour limiter les effets des erreurs de quantification des retards sur la directivité, il faut H lof 10 fO (10).

L'ensemble des inégalités (8), (9) et (10) délimité le domaine de fonctionnement du dispositif. Il est représenté sur la figure 4 pour 2n = 512, = = 4 MHz et fO = 400 KHz.

En outre à l'intérieur de ce domaine les valeurs de fH, Nv, B et f0 doivent être telles que fH/Nv soit une fréquence d'échantillonnage permise pour un signal de bande autour de fo soit 2fo + B fH 2fo -B
< <
m + l Nv m m étant un entier. En reprenant les valeurs précédentes B = 20 MHz,
Nv = 100, la condition (11) ne peut pas être satisfaite.

En conservant fH = 4 MHz, le nombre de voies N v doit être pris égal à 78.pour que cette condition soit satisfaite pour m = 15 (on peut aussi augmenter f H en conservant Nv). Le point de fonctionnement obtenu est indiqué par le point F sur la figure 4.

Suivant une variante de réalisation représentée figure 6, il est possible de diviser par 2 le nombre d'étages des lignes à retard en utilisant 2 lignes à retard supplémentaires du même type que les autres. Pour cela les N hydrophones de l'antenne sont séparés en 2 groupes de N/2, un groupe étant formé par les capteurs de gauche, l'autre par les capteurs de droite par rapport à l'axe de l'antenne Pour les signaux des hydrophones 30.1, 30.N/2, on utilise les lignes à retard 60.1,... 60.N/2 et l'on somme les signaux retardés dans le sommateur 65. De même pour les signaux des hydrophones 60.N/2 +1, ... 60.N, on utilise les lignes à retard 60.N/2 + 1, ... 60.N et les signaux sont sommés dans le sommateur 66.Les signaux de sortie des deux sommateurs 65 et 66 sont respectivement appliqués aux lignes à retard 67 et 68 et sommés dans le sommateur 69. On forme ainsi les voies par sommation de signaux de deux sous-antennes remis en phase par les lignes à retard 67 et 68.

Suivant une variante de l'invention les signaux des hydrophones sont appliqués à des circuits de démodulation complexe 50.i avant d'être retardés.

La figure 5 représente la chatne de traitement pour chaque signal d'hydrophone Si pour cette réalisation. Le circuit de démodulation complexe 50.i est formé de manière connue par 2 multiplieurs par cos wot et sin wO t (wO = 2tao) et 2 filtres passe-bas, 53 et 54. Les signaux complexes sont appliqués à une ligne à retard programmable pour signaux complexes 31.i composée de 2 registres identiques 310.i et 311.i fournissant 2 signaux, l'un étant la partie réelle R et l'autre la partie imàginaire I, retardés chacun de Tik (pour la voie k) l'adressage numérique de l'étage de sortie étant commun au 2 registres.Les signaux R et I sont appliqués à un ensemble de circuits 51.i réalisant le produit (R + jI) exp (j#ik) avec #ik = wo #ik (j= ik
L'ensemble 51.i comprend : quatre multiplieurs 515, 2 mémoires 510 et 511 dans lesquelles sont inscrites les valeurs de cos#ik et sin#ik ; l'additionneur 513 en sortie duquel on obtient la partie imaginaire 501.1, du signal retardé et le soustracteur 512, en sortie duquel on obtient la partie réelle 500.i du signal retardé.

Les N signaux 500oi et les N signaux 50l.i sont sommés séparément dans 2 sommateuïs à N entrées tel que 34 (figure 3). On obtient, à la cadence de l'horloge fH, les composantes complexes des voies multiplexées qui sont ensuite traitées en complexe à la cadence fH/NV. Les multiplieurs 515 sont avantageusement à base de convertisseurs numériques-analogiques pour que les déphasages soient commandés numériquement, la fréquence d'horloge étant égale à la fréquence fH de la ligne retard.

Pour le traitement de signaux complexes l'inégalité (7) devient:
Nv < fH
B
En combinant avec l'inégalité (7) on obtient:
f max < fH (13)
o
Si 2m est le nombre d'étages de chacun des deux registres constituant une ligne à retard complexe, l'inégalité (9) s'écrit
2m Tmax < (14)
fH
Dans cette réalisation, le choix de 4 n'est pas lié à fO car l'erreur de quantification des retards est nettement moins critique que dans le cas des signaux réels.

Par conséquent avec 2m = 256, fH = 2 MHz et f0 = 400 KHz, on obtient le même domaine de fonctionnement que précédemment (figure 4). La fréquence d'horloge est donc 2 fois moindre pour une même valeur de'i:
max II s'ensuit que l'incidence de l'inefficacité de transfert sur la pondération de l'antenne est 2 fois moindre.

D'autre part, dans le cas de la réalisation précédente la valeur de z max est limité à 512/10fo environ. Avec cette réalisation on peut accepter des valeur de Tmax plus grandes pour une même valeur de fO en choisissant une valeur de fH suffisamment petite. Par exemple pour f0 =400XHzonaZ max = 102 fus contre 256 ssus avec H = 1 MHz.

Le dispositif de formation de voies qui vient d'être décrit est particu fièrement bien adapté à la formation des voies d'un sonar haute fréquence formé d'une antenne linéaire et à grand nombre de voies, ce qui est le cas notamment pour les sonars de type classificateur (chasse aux mines).

I1 reste a fortiori - bien adapté à la formation des voies de sonars fonctionnant à fréquence plus basse, tels que ceux utilisés dans les torpilles.

Il a l'avantage de permettre une programmation numérique de la direction des voies et de pouvoir former des voies en large bande. Enfin le volume d'électronique reste assez limité puisque toute la formation des voies est effectuée avec une seule ligne à retard par hydrophone.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de formation de voies angulaires pour sonar haute fréquence comportant une antenne formée de N hydrophones (30.i, l#i#N) utilisant des lignes à retard à transfert de charges, les N signaux (Si) reçus par les N hydrophones (30.i) dans une bande de fréquence B autour de la fréquence centrale f0 étant retardés de #ik pour former Nv signaux de voies (Vk, l#k4NV), caractérisé par le fait que chaque signal d'hydrophone (Si) est appliqué à une ligne à retard à transfert de charges (30.i) fonction nant à la fréquence fH, ayant M -étages (Er, 1 \ < r Q M), dont chaque sortie communique par une porte (Pr) commandée par un adressage avec une connexion de sortie (R) et que le signal (Si) convenablement retardé est obtenu sur la connexion de sortie (R) dans l'intervalle de temps TH = l/fH, une porte (pur) assure la commutation de lecture sur l'étage (Er), dont le rang est défini par l'adresse et qu'une mémoire (32.i), contenant tous les retards à compenser (I ik) pour former les N v voies commande l'adressage (22.i) de chaque ligne à retard (31.i) et qu'il comporte un sommateur analogique (34) à

N entrées recevant les signaux retardés (Si (t ~ Xik) et fournissant les signaux de voies (Vk) multiplexés à la fréquence H

2.Dispositif de formation de voies suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque signal (Si) reçu par un hydrophone (30.i) est appliqué à un démodulateur complexe (50.i) démodulant à la fréquence f0 et fournissant les parties réelles et imaginaires du signal (Si) qui sont appliqués chacun à une ligne à retard adressable (310.i, 311.i), que ces deux signaux retardés sont multipliés chacun par des valeurs sin f ik et cos #ik, où T ik = 2fotik, et que ces signaux multipliés sont additionnés (513) et soustraits (512) fournissant respectivement les parties imaginaires et réelles de la voie.

3. Dispositif de formation de voies suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les valeurs de fH, de M = n soit choisies de façon à satisfaire les inégalités: B#max#fH/4fo, tmaX42 et fH#10f0, où

#max est le retard maximum à compenser.

4. Dispositif de formation de voies suivant la revendication 2, carac térisé par le fait que le nombre d'étages de chacune des lignes à retard (310.i, 311.i) est égal à un nombre 2m et que les valeurs de 2m et íH sont choisies de façon à satisfaire les inégalités: B17 ax CfH/2fo et rnax 22m/fH > où Tmax est le retard maximum à compenser.

5. Dispositif de formation de voies suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un processeur (33) fournit à toutes les mémoires (32.i) les valeurs des retards (tir) et que le processeur calcule ces retards en fonction des mouvements de l'antenne et de la focalisation.

6. Dispositif de formation de voies suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les signaux de voies (V) fournis par le sommateur analogique (34) sont appliqués à N v échantillonneurs bloqueurs (IiS ... IN ) dont la fréquence d'échantillonnage est égale à fH/NV les signaux de voies ainsi échantillonnés étant traités classiquement dans des circuits (35.k) et appliqués à un dispositif d'exploitation (36).

7. Dispositif de formation de voies suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les signaux reçus par les transducteurs de la moitié gauche de l'antenne 30.1, ... 30N/2 sont retardés par des lignes à retard (60.1, ... 60.N/2) et sommés par un sommateur (65) et de même les signaux reçus par les transducteurs de la moitié droite de l'antienne (30.N/2+1, 30.N) sont retardés par des lignes à retard (60.N/2+1, ... 60.N) et sommés par un sommateur (66), que les deux signaux ainsi obtenus sont appliqués chacun à une ligne à retard (67, 68) et que les signaux retardés obtenus sont appliqués à un autre sommateur (69) fournissant le signal de voie.