CA1248619A - Dispositif pour le traitement des signaux modules recus par un systeme de sonar lateral - Google Patents

Abstract

Dispositif pour le traitement des échos rétrodiffusés par la surface du fond marin en réponse à des impulsions acoustiques transmises par un poisson tracté en immersion, qui comporte au moins un ensemble pour déterminer les composantes de l'enveloppe complexe des signaux reçus par une chaine de réception ou d'une partie de ceuxci, obtenue par filtrage sélectif d'une bande étroite dans le spectre de fréquence, et des moyens de calcul, de mémorisation et de visualisation pour obtenir une représentation des variations en fonction du temps de l'amplitude complexe des signaux reçus.

Description

L'invention a pour objet un dispositif pour le traitement des signaux modules reçus par un système de sonar et plus particulièrement un sys-tème de sonar à visee laterale.

Les systèmes de sonar lateral comportent generalement une ou plusieurs antennes emettrices et receptrices fixees aux parois d'un navire ou d'un corps profile appele poisson, qui est tracte en immersion par le navire. Chacune de ces antennes comporte une pluralite de transduc-- teurs alignes suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal du navire ou du poisson, de manière que son diagramme directionnel pos-sède un angle d'ouverture très faible de part et d'autre d'un plan vertical transversal et un angle d'ouverture plus large dans ce même plan. Les transducteurs emetteurs sont alimentes a intervalles regu-- liers et envoient des impulsions acoustiques dans une direction oblique vers le fond de l'eau. Ces impulsions viennent irradier ou "insonifier" le fond d'un côte ou des deux côtes du navire ou po-isson suivant une bande etroite allongee perpendiculairement a la direction d'avancement et sont retrodiffusees vers la surface.

L'antenne receptrice ou les antennes receptrices, du fait de leur diagramme directionnel, sont adaptees a capter preferentiellement les echos provenant des bandes irradieesO

~9 ~8~L9 Les signaux recus par les transducteurs, en echo aux i~pulsions emi-ses, sont amplifies de preference avec un gain d'amplification crois-sant avec le temps pour corriger les variations d'amplitude dues a l'obliquite des trajets de propagation, puis detectes afin d'obtenir un signal a basse frequence representatif de l'enveloppe de ces signaux.

On effectue alors un enregistrement des signaux demodules en fonction du temps de propagation de maniere a obtenir un balayage transversal de la zone irradiee. Les signaux demodules sont utilises par exemple pour faire varier en fonction du temps l'intensite du spot d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique. Les cycles d'emission-reception sont repetes regulierement au fur et a mesure de l'avance-ment du navire et l'on juxtapose les enregistrements successivement effectues afin d'obtenir une image relativement continue du fond. Un sonar lateral est decrit par exemple dans le brevet français n 2.064.400.

La restitution de l'enveloppe des signaux recus est obtenue le plus souvent dans les systemes de sonar par redressement desdits signaux et l'information qu'ils contiennent relativement aux variations de phase n'est pas exploitee en general.

Les signaux re~us sont affectes, par rapport aux signaux emis, de dephasages a variations rapides caracteristiques des modifications du pouvoir de diffraction ou de retrodiffusion de la surface irradiee et de dephasages a variations lentes dus a l'effet Doppler et resultant de la vitesse relative par rapport au navire en mouvement, des por-tions de cette surface situees en dehors du plan transversal de syme-trie des faisceaux emis. L'inexploitation des donnees de phase a pourconsequence qu'aucune distinction ne peut être faite sur l'image obte-nue entre les inégalites du fond situees dans le plan de symetrie du faisceau et hors de ce plan.

~2~

Le dispositif de traitement selon l'invention est adapté à prendre en compte les variations de la phase des signaux rétrodiffusés et par conséquent permet d'obtenir une représentation plus fine de la surface du fond.
Plus spécifiquement, la présente invention propose un dispositif pour traiter des signaux modulés en amplitude et en phase reçus à chaque cycle d'émission-réception par un système de sonar latéral, ces signaux d'amplitude complexe étant des échos rétrodiffusés par la surface du fond d'une masse d'eau d'impulsions acoustiques transmises depuis un véhicule portant ledit système de sonar, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage pour sélectionner au moins une bande de fréquence dans le spectre de fréquence des signaux reçus, au moins un ensemble de démodulation constitué d'un circuit à asservissement de phase adapté à
engendrer un signal de référence ayant une fréquence qui dé-pend de la bande de fréquence sélectionnée et de moyens de combinaison pour engendrer, à partir de ladite partie des signaux reçus et du signal de référence issu du circuit à
asservissement de phase, des signaux correspondant aux com-posantes en quadrature de l'amplitude complexe des signaux reçus, un calculateur pour le traitement des signaux issus des moyens de combinaison, ce calculateur étant adapté à
calculer ladite amplitude complexe à partir de ses compo-santes en quadrature, et des moyens pour représenter à cha-que cycle d'émission-réception, en fonction du temps, les variations de ladite amplitude complexe.
Des moyens de mémorisation peuvent être utilisés pour emmagasiner des valeurs prises successivement au cours de chaque cycle pour chaque amplitude complexe, ces moyens de mémorisation étant intercalés entre le calculateur et les moyens de représentation.

Le dispositif peut comporter avantageusement une i ~ .., 5~, - 3a -pluralité de filtres passe-bande adaptés à subdiviser les signaux reçus en une pluralité de signaux filtres dont les spectres de fréquence sont complémentaires et une pluralité
d'ensembles de démodulation connectés respectivement aux sorties des filtres. Le calculateur est alors adapté à cal-culer les amplitudes complexes des différents signaux filtrés et démodulés et les moyens de représentation sont alimentés successivement par les différents signaux correspondant aux différentes amplitudes complexes, afin de juxtaposer des tra-ces représentatives respectivement desd /
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amplitudes complexes. De cette maniere, une dissociation des echos en fonction de leur position transversale dans la surface "insonifiee"
peut être obtenue, ce qui conduit a une representation plus fine de cette surface.

D'autres caracteristiques et avantages du dispositif apparaitront a la lecture de la descr.iption de modes de realisation preferes mais non limitatifs de l'invention, illustree par les dessins annexes sur lesquels :
- la figure 1 represente de façon tres schematique l'angle solide dans lequel se propage la partie la plus importante de l'energie acousti-que emise par l'antenne d'un sonar lateral et de l'energie acousti-que retrodiffusee par le fond de l'eau et captee par ladite an-tenne ;

- la figure 2 represente un chronogramme des impulsions emises ;

- la figure 3 represente schematiquement un chronogramme des signaux retrodiffuses en reponse aux impulsions emises ;

- la figure 4 represente de façon tres simplifiee une trace d'enregis- trement correspondant a la bande de surface "insonifiee" representee a la figure 1 ;
- la figure 5 represente le synoptique d'un premier mode de realisa-tion du dispositif de traitement ;

- la figure 6 represente de façon tres schematique, l'angle solide d'emission-reception de l'energie acoustique et la surface atteinte au cours de chaque cycle par les ondes acoustiques, dans le cas où
ladite surface est divisee en une pluralite de bandes elementaires adjacentes perpendiculaires a la route suivie par le poisson, dont les contributions energetiques respectives a l'energie acoustique 8~

des signaux recus, sont obtenues par un decoupage spectral desdits signaux au moyen de filtres passe-bande etroits ;

- la figure 7 represente de façon très simplifiee la trace d'enregis-trement resultant de la juxtaposition des traces elementaires cor-respondant aux di~fferents signaux obtenus par decoupage spectral et - la figure 8 represente schematiquement un second mode de realisation du dispositif où les signaux reçus et filtres par differents filtres passe-bande, sont traites separement.

Le poisson represente à la figure 1 comporte au moins une antenne emettrice-receptrice 1 d'un type connu fixee sur une partie laterale de la coque. Cette antenne est constituee d'un ensemble de transduc-teurs alignes dont la direction d'alignement est sensiblement paral-lèle à l'axe longitudinal ox du navire. Son axe principal OM est oriente suivant une direction oblique dans le plan transversal yoz.

Une telle antenne a un diagramme de directivite dont le lobe principal est très etroit de part et d'autre du plan vertical yOz contenant l'axe d'emission principal OM et assez ouvert dans ce mème plan. Les valeurs des angles au sommet ~ 2 du faisceau respectivement dans le plan longitudinal et dans un plan transversal sont par exemple de l'ordre de 1 à 5 et de 30 à 60, si bien que la surface du fond irradiee ou "insonifiee" par chaque impulsion acoustique emise est une bande transversale assez etroite.

Une autre antenne identique peut etre disposee symetriquement à la première par rapport à la verticale de manière à irradier deux sur-faces identiques de part et d'autre du poisson.

Chaque echo Rl...Rk (Fig. 3) correspondant à l'energie acoustique retrodiffusee ou diffractee par les inegalites du relief de la bande ~4~36~5~

de terrain irradiee par une impulsion acoustique El...Ek prealablement emise (Fig. 2) est reçu par l'antenne receptrice, et les signaux engendres par les transducteurs sont appliques a la chaine de recep-tion representee à la figure 5.
Cette chaine comporte un amplificateur 2 a gain variable d'un type connu, dont le gain~crolt depuis l'instant de debut de la reception de chaque echo, de maniere a compenser l'affaiblissement en fonction de la duree de propagation des ondes acoustiques. L'amplificateur est connecte a un filtre selectif 3 centre sur la frequence des signaux acoustiques emis. Le signal a la sortie du filtre 3 est connecte a l'entree d'un dispositif de detection d'enveloppe qui comporte deux ensembles de Filtrage 4, 5 a commutation de capacite d'un type connu (switched capacitor filter) fabrique par exemple par la firme RETICON
sous la reference RS620, dont les entrees Ej sont connectees a la sortie du filtre 3. Chacun de ces ensembles comporte un moyen d'echan-tillonnage 6 adapte a prelever sur le signal applique a son entree Ej une succession d'echantillons sur commande d'un signal d'echantillon-nage dont la frequence fs est choisie de preference sensiblement egale a la frequence centrale des echos reçus.

Le signal d'echantillonnage est issu d'un premier element diviseur de frequence 7 adapte a diviser par 2 la frequence d'un signal d'horloge applique sur sont entree EH. La sequence d'echantillons issue du moyen d'echantillonnage 6 est transferee dans un filtre a capacite commutee 8 auquel on applique un signal de commutation de frequence fc qui est issu d'un second element diviseur 9 qui divise par un facteur K egal a 50 par exemple la frequence du signal issu du premier element diviseur 7, ce filtre a capacite commutee agissant comme un filtre passe-bas.
Le signal issu du filtre passe-bande 3 est applique egalement a l'en-tree d'un circuit a boucle de phase asservie 10 du type PLL comportant un detecteur de phase 11 adapte a engendrer un signal dependant du de-phasage entre le signal a l'entree et un signal engendré par un ele ~2~136~

ment diviseur 12. Celui-ci divise par 2 la frequence d'un signal issu d'un oscillateur commande en tension (VC0) 13. La tension de commande de l'oscillateur 13 est celle qui est issue d'un filtre passe-bas 14 dont l'entree est connectee a la sortie du detecteur de phase 11. Du fait de l'utilisation d'un êlement diviseur par 2 dans la boucle de phase, la frequence du signal issu de l'oscillateur 13 est le double de la frequence preponderante du spectre de frequence des signaux issus du filtre passe-bas 3.

Le signal engendre par l'oscillateur 13 est utilise comme signald'horloge pour les deux ensembles de filtrage 4, 5. Il est applique directement à l'entree EH de l'ensemble de filtrage 5 et, par l'intermediaire d'un inverseur 15, à l'entree EH de l'ensemble de filtrage 4. Les signaux d'echantillonnage issus des elements diviseurs 7 des deux ensembles de filtrage 4, 5 sont par consequent dephases de

2 l'un par rapport a l'autre, ce qui permet d'obtenir une detection en quadrature des composantes de l'enveloppe complexe des signaux de sonar appliques.

La fonction de transfert des filtres a capacite commutee 8 et les parametres de filtrage sont cnoisis en appliquant a l'entree de commande Ec des deux ensembles de filtrage 4, 5 les signaux d'un element selecteur 17.

Les signaux en quadrature XS, Xc disponibles aux sorties des ensembles de filtrage 4, 5 et dont les spectres de frequence sont centres sur la frequence nulle, sont appliques a un calculateur 18 adapte en particulier a combiner les tensions Xc et Xs pour obtenir l'amplitude complexe A = l Xc2 + Xs2 (1).
La tension resultant de cette combinaison est appliquee a un element de visualisation 19 constitue par exemple d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique et sert a moduler l'intensite de son spot lumineux.

~ZgL~6i9 Une memoire 20 tFig. 8) peut etre utilisee pour emmagasiner les donnees issues du calculateur 18. On obtient donc une representation en fonction du temps de tous les points de la surFace laterale irradiee depuis les plus proches jusqu'aux plus eloignes, chaque zone intervenant par sa contribution propre aux variations de phase des signaux reçus. On voit, sur la representation simplifiee de la trace d'enregistrement correspondant à une bande transversale irradiee par le sonar, situe à une abscisse xO quelconque~ que les inegalites de relief Sl, S2, S3, S4 de cette surface se traduisent par des lignes transversales Sl, S2, S3, S4 etalees sur toute la largeur de la trace correspondante visualisee. A chaque instant de reception, c'est-à-dire pour une même ordonnee y(t), un echo preponderant est choisi dans la bande de frequence des signaux reçus et aucune distinction ne peut être faite à un même instant entre deux echos distincts de la même bande de frequence qui sont affectes de decalages de frequence Doppler differents.

Un mode de realisation du dispositif capable de dissocier plusieurs echos dans les signaux demodules reçus à un même instant quelconque et par consequent d'accroitre la finesse de restitution des details du terrain "insonifie", va être decrit ci-apres.

Le principe mis en oeuvre par ce mode de realisation tient compte du decalage plus ou moins grand affectant, en raison de l'effet Doppler, la frequence des ondes acoustiques retrodiffusees par les differentes parties de la bande de surface irradiee.

L'ecart de frequence affectant les signaux emis et reçus suivant une direction quelconque OP de l'angle solide OABCD d'emission-reception (Figs 1 ou 6) est, on le sait, proportionnel a la projection Vsin~ du vecteur vitesse V du poisson sur la direction OP et d'autant plus important que celle-ci est plus ecartee du plan vertical median.

Si f est la frequence des signaux acoustiques impulsionnels transmis, la frequence des ondes reçues va varier de f + ~ f pour celles qui proviennent de la bordure AB en avant du plan vertical transversal yoz de la bande de surface irradiee, a f - ~ f pour celles qui proviennent de la bordure ~D symetrique de AB par rapport au plan vertical, l'ecart de frequence s'annulant pour les ondes acoustiques provenant de la ligne mediane~ EF. Si l'on decoupe l'intervalle de frequence de largeur A F - 2 ~ f, centre sur la frequence centrale f, en n intervalles egaux ~fl~ ~f2 ~fn les ondes acoustiques reçues dans ces intervalles de frequence vont correspondre respect1vement à des contributions de n bandes elementaires adjacentes Rl, R2...Rn de la surface irradiee ABCD, parallèles à l'axe oy et de largeur d/n. Par consequent, l'exploitation separee des signaux appartenant à tous ces intervalles de frequence et leur juxtaposition sur un organe de visualisation commun, vont permettre d'obtenir une representation au même instant d'echos multiples en supprimant l'effet de selection de l'echo le plus fort qui intervient dans le cas où tout le spectre de frequence de largeur ~F des signaux reçus est exploite en totalite à
chaque instant. Le pouvoir de resolution du sonar est de ce fait très sensiblement ameliore. L'exemple d'enregistrement y(t) très simplifie et schematique represente à la figure 7 et qui est constitue de la juxtaposition des traces rl, r2...rn correspondant aux contributions respectives des bandes elementaires Rl, R2...Rn de la bande de terrain ABCD irradiee, le poisson se trouvant à l'abscisse xO, montre que les positions 5'1' 5'2' 5'3 des inegalites de surface S'l, S'2, S'3 (Fig.
6) peuvent être localisees à leur emplacement exact à l'interieur de la trace visualisee correspondant à la surface ABCD.

Le mode de realisation de la figure 8 qui applique ce principe de decoupage de frequence, comporte egalement un ensemble de selection et d'amplification constitue d'un amplificateur à gain variable 2 pour l'amplification des signaux reçus par chaque antenne receptrice 1, et un filtre passe-bande 3. Mais suivant ce mode de realisation, la sortie du filtre 3 est connectee en parallèle à n circuits de 8~

detection en quadrature (Dl, D2...Dn~ analogues au circuit D
represente a la figure 5, par l'intermediaire de n filtres selectifs 21a, 21b...21n~ dont les bandes passantes sont egales et complementaires. Si F est la longueur de la bande passante du filtre

3, celle de chacun des filtres 21a à 21n est égale a ~F.
n Chaque circuit de ~etection Dl, D2...Dn comporte deux ensembles de filtrage 4 et 5 dont les parametres de filtrage et les fonctions de transfert sont ajustees au moyen d'un element selecteur 17, ces deux ensembles étant alimentes sur leurs entrees horloge par deux signaux en opposition de phase provenant de la sortie de l'oscillateur interne d'un circuit a boucle de phase asservie du type PLL a quartz et adapte a osciller a une frequence double de la frequence centrale du filtre (21a, 21b...21n) dont il reçoit les signaux.
Les couples de signaux en quadrature (Xsl, Xcl), (Xs2, Xc2) ... (XSn, Xcn) engendres respectivement par les circuits Dl, D2...Dn sont appliques a un calculateur 18 qui determine, en appliquant la relation (1), les amplitudes complexes Al, A2...An correspondant aux couples de signaux en quadrature.

Les signaux resultants correspondant a ces differentes amplitudes complexes sont transferes dans une memoire 20. Toutes les valeurs d'amplitudes complexes relatives a un meme cycle d'emission-reception sont ensuite lues dans la memoire et utilisees pour moduler par exemple le spot d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique 19, suivant une sequence telle que sur l'ecran de c~lui-ci, soient juxtaposees n traces elementaires correspondant respectivement aux n bandes de frequences complementaires delimitées par les filtres 21a a 21n et, comme on l'a vu, a n bandes étroites adjacentes de la surface "insonifiee" a chaque instant.

Si l'espace parcouru par le poisson dans l'intervalle de temps séparant deux cycles successifs d'emission-reception, est inferieur a ~Z4861~1 la largeur du faisceau irradiant au niveau du fond, les bandes de terrain irradiées au cours de deux cycles successifs vont se superposer partiellement. Une même inegalité de terrain retrodiffusant de l'energie acoustique au cours de plusieurs cyc'les successifs, cree plusieurs echos successifs qui sont detectes respectivement dans plusieurs bandes spectrales differentes du fait que sa position dans la bande irradiee ~t par consequent son inclinaison par rapport au plan vertical transverse yoz changent d'un cycle à l'autre. Un même echo est repere ainsi successivement sur des traces differentes de l'ensemble rl, r2...rn.

En raison du recouvrement partiel des bandes visualisées, qui fait qu'un même echo est reperable sur plusieurs traces distinctes, le calculateur 18 peut être adapte à effectuer des combinaisons de signaux correspondant à des echos identiques, de manière à minimiser les echos aleatoires.

Claims (8)

Les réalisations de l'invention, au sujet des-quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Dispositif pour traiter des signaux modulés en amplitude et en phase reçus à chaque cycle d'émission-récep-tion par un système de sonar latéral, ces signaux d'amplitude complexe étant des échos rétrodiffusés par la surface du fond d'une masse d'eau d'impulsions acoustiques transmises depuis un véhicule portant ledit système de sonar, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage pour sélectionner au moins une bande de fréquence dans le spectre de fréquence des signaux reçus, au moins un ensemble de démodulation constitué
d'un circuit à asservissement de phase adapté à engendrer un signal de référence ayant une fréquence qui dépend de la bande de fréquence sélectionnée et de moyens de combinaison pour engendrer, à partir de ladite partie des signaux reçus et du signal de référence issu du circuit à asservissement de phase, des signaux correspondant aux composantes en quadrature de l'amplitude complexe des signaux reçus, un calculateur pour le traitement des signaux issus des moyens de combinaison, ce calculateur étant adapté à calculer ladite amplitude com-plexe à partir de ses composantes en quadrature, et des moyens pour représenter à chaque cycle d'émission-réception, en fonction du temps, les variations de ladite amplitude complexe.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comporte des moyens de mémorisation de valeurs prises au cours de chaque cycle par chaque amplitude complexe, ces moyens de mémorisation étant interposés entre le calcula-teur et les moyens de représentation.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comporte une pluralité de filtres sélectifs adaptés à subdiviser les signaux reçus en une pluralité de signaux filtrés ayant des spectres de fréquence qui sont complémen-taires, et une pluralité d'ensembles de démodulation con-nectés respectivement en sortie desdits filtres sélectifs, en ce que le calculateur comprend des moyens pour calculer les amplitudes complexes des différents signaux filtrés et en ce que les moyens de représentation sont alimentés succes-sivement par différents signaux correspondant aux différentes amplitudes complexes, de manière à juxtaposer des traces repré-sentatives respectivement desdites amplitudes complexes.

4. Dispositif selon les revendications 1, carac-térisé en ce que chaque ensemble de démodulaion comporte deux ensembles de filtrage à commutation de capacité, comprenant chacun un moyen d'échantillonnage séquentiel et un filtre à
capacité commutée ayant des fréquences d'échantillonnage et de commutation qui dépendent de la fréquence d'un signal d'horloge, les signaux d'horloge appliqués aux deux ensem-bles de filtrage étant respectivement le signal de réfé-rence produit par le circuit à asservissement de phase asso-cié et ce même signal déphasé par un inverseur logique.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé
en ce que chaque circuit à asservissement de phase comporte un oscillateur commandé par tension et adapté au moyen d'un élé-ment diviseur de fréquence, à osciller à une fréquence double de la fréquence centrale du signal appliqué audit circuit à
asservissement de phase, l'oscillateur produisant un signal constituant ledit signal de référence.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce que chaque ensemble de démodulation est connecté en sor-tie de moyens d'amplification et de filtrage des signaux reçus.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce que les moyens de représentation des variations de l'am-plitude complexe comportent un enregistreur optique à balayage produisant un pinceau lumineux d'enregistrement ayant une inten-sité modulée par des signaux représentatifs des variations en fonction du temps de chaque amplitude complexe.

8. Dispositif selon la revendication 3, caracté-risé en ce que les moyens de représentation des variations de l'amplitude complexe comportent un enregistreur optique à balayage produisant un pinceau lumineux d'enregistrement ayant une intensité modulée par les signaux représentatifs des variations en fonction du temps de chaque amplitude com-plexe, le dispositif comportant également une mémoire pour emmagasiner les valeurs prises à chaque instant par les diffé-rentes amplitudes complexes déterminées par le calculateur et des moyens pour lire dans la mémoire successivement l'ensemble des signaux représentatifs des variations en fonction du temps de chacune des amplitudes complexes.