EP0032095B1 - Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique et dispositif pour sa mise en oeuvre Download PDF

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EP0032095B1
EP0032095B1 EP80401870A EP80401870A EP0032095B1 EP 0032095 B1 EP0032095 B1 EP 0032095B1 EP 80401870 A EP80401870 A EP 80401870A EP 80401870 A EP80401870 A EP 80401870A EP 0032095 B1 EP0032095 B1 EP 0032095B1
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temperature
horn
jack
fixed
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Jean-Michel Fage
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Bertin et Cie SA
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    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/28—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S367/00—Communications, electrical: acoustic wave systems and devices
    • Y10S367/902—Speed of sound compensation

Definitions

  • the remote measurement of local meteorological parameters - such as the thermal structure (temperature inversion layer for example) or the three-dimensional vertical profile of the wind - by micrometeorological stations of the SODAR or acoustic radar type, poses the problem of l 'signal processing given the very low level collected.
  • the antennas used in acoustic remote sensing systems are generally of the parabolic type: they consist of a paraboloid extended by a hood internally coated with an absorbent material, the backscattered signal being picked up in the output plane of an acoustic horn located in the axis of the paraboloid. If this type of antenna has a significant gain, it has the disadvantage of creating a system of interference fringes, between the bottom of the parabotoid and the exit plane of the horn, on the scale of the half-length of acoustic wave. This is reflected on the antenna by a frequency transfer function in the form of a sinusoid.
  • the transmission frequency being chosen according to the range, the focus of the antenna will be located in the vicinity of a pressure belly, for a given reference temperature To (15 ° C for example), if the focal distance of the dish is a certain integer multiple of the acoustic half wavelength. In this case, there is indeed a pressure belly at the focal point where the outlet plane of the horn will preferably be placed.
  • This condition obviously depends, at a given emission frequency, on the wavelength and therefore on the temperature T of the air in the bottom of the antenna.
  • the present invention relates to an automatic method for adapting the antenna as well as the implementation device enabling it to follow the evolution of this structure of interference fringes as a function of the temperature T so that the recording signal always occurs in the vicinity of the same pressure belly.
  • the transmission frequency remaining fixed, the signal is recorded in the exit plane of a horn which is mobile in the axis of the paraboloid and the displacement of which is performs according to a law in T- ' i2 corresponding to the theoretical displacement of the standing wave structure.
  • the displacement of the outlet plane of the horn according to this law will advantageously be controlled by the movement of an actuator rod whose oil capacity will serve as a temperature probe.
  • the output plane of the horn remaining fixed, at the focus for example, the transmission frequency is modified according to a law in T - '/ 2 corresponding to the theoretical displacement of the structure of interference fringes, so that the pressure belly remains immobile whatever the temperature variations.
  • the relative variation ⁇ f of the frequency fo equal to the relative variation ⁇ of the wavelength ⁇ 0 , will then have as an expression as a function of the relative variation of temperature:
  • the temperature variations recorded by a probe located between the bottom of the paraboloid and the outlet plane of the horn are transformed, in an adequate electronic circuit, into voltage variations, themselves converted into frequency variations by a conventional voltage / frequency converter .
  • the bandwidth of the filter centered on the transmission frequency is in a first fixed version, the relative bandwidth ⁇ f / fo being such that it makes it possible to filter the signal without attenuation in a fixed temperature range such that :
  • the bandwidth of the filter remains centered on the transmission frequency and follows its evolution by a tracking system: in this case, the filter is of the digital type.
  • FIG. 1 there is shown schematically an acoustic radar antenna 1 consisting of a parabloid surface 2 extended by a hood 3 internally covered with an acoustic absorbing material 4.
  • a transmitting chamber 6, such as 'A compression chamber, extended by a horn 7 is held in the axis 5 of this antenna 1 which it is made integral by a rigid link 8 such as a tripod.
  • a theoretical brush of backscattered sound waves 9 determining the effective area 10 of the antenna 1; the sound waves generated by the emission chamber 6 theoretically follow the opposite path.
  • the surface portion 11 located in the axis 5 of the paraboloid is partially masked by the presence of the transmission and reception system.
  • Figure 3 is shown schematically the electronic device for adapting the antenna 1; the outlet plane 15 of the horn 7 being located at the focal point of the paraboloid, at the abscissa Xo, the emission frequency f is modified to compensate for the theoretical evolution of the structure of interference fringes as a function of the temperature.
  • the restoration of the pressure belly 13 at the abscissa Xo causes a variation in frequency Af around the frequency fo such that:
  • the different stages of the transformation of the indication of the temperature T into ° K given by the temperature probe 14 are symbolized by blocks 27.
  • the temperature variation T is transformed in a conventional electronic circuit 27A into a voltage variation V which in turn is transformed into frequency variation f by a conventional voltage / frequency converter 27B.
  • This frequency variation is processed in a microcomputer 27C which reacts at the level of the emission E by modifying the frequency and at the level of the reception R by modifying the filters, so that they are always centered on the frequency d 'program.
  • FIG 4 is shown the mechanical adaptation system of the antenna 1 for moving the outlet plane 15 of the horn according to the theoretical law of evolution of - - structure of interference fringes as a function of temperature.
  • This mechanical system comprises a hydraulic cylinder 16 disposed in the axis 5 of the paraboloide 2 and supported by a fixed plate 17.
  • the end 18 of the rod 19 of this cylinder 16 is integral with an assembly 20 movable in the axis 5 of the paraboloid and comprising the emission chamber 6 extended by the horn 7, the assembly being supported by a frame consisting of two parallel plates 21 and 22 sliding along columns or vertical guides 23 supported by the fixed plate 17 rigidly connected to the structure of the dish 2 by the tripod system 8.
  • the columns 23 are secured at their lower part by a plate 24 pierced with a circular opening 25 leaving free passage to the moving element 20.
  • the capacity of the hydraulic jack 16 communicates with a coil 26 made of copper or any other good conductive material heat, which then constitutes the temperature probe shown diagrammatically at 14 in FIG. 3.
  • the total capacity of 16 and 26 is such that, for a variation ⁇ T of the temperature at the level of the horn 7, the rod 19 of the jack 16 moves the desired length:
  • the mechanical device for implementing the method is not limited to the embodiment of FIG. 4 and it could in particular be produced by a system of articulated arms taking, for example, support on the tripod 8, in the manner of a umbrella mechanism where the whales would be fixed.

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Description

  • La mesure à distance de paramètres météorologiques locaux - tels que la structure thermique (couche d'inversion de température par exemple) ou le profil vertical tridimensionnel du vent - par des stations micrométéorologi- ques du type SODAR ou radar acoustique, pose le problème de l'exploitation du signal compte tenu du très faible niveau recueilli.
  • On pourra se reporter à cet égard à un article de J. M. Marshall et autres intitulé »Combined Radar-Acoustic Sounding System« et paru dans la revue américaine APPLIED OPTICS, Vol. 11, N° 1, Janvier 1972, pages 108 à 112.
  • Les antennes utilisées dans les systèmes de télédétection acoustique sont généralement du type parabolique: elles sont constituées d'un paraboloïde prolongé par une hotte revêtue intérieurement d'un matériau absorbant, le signal rétrodiffusé étant capté dans le plan de sortie d'un cornet acoustique situé dans l'axe du paraboloïde. Si ce type d'antenne a un gain important, il a en contrepartie l'inconvénient de créer un système de franges d'interférence, entre le fond du parabotoïde et le plan de sortie du cornet, à l'échelle de la demilongueur d'onde acoustique. Cela se traduit à l'antenne par une fonction de transfert en fréquence ayant la forme d'une sinusoïde.
  • La fréquence d'émission étant choisie en fonction de la portée, le foyer de l'antenne sera situé au voisinage d'un ventre de pression, pour une température donnée de référence To (15°C par exemple), si la distance focale du paraboloïde est un certain multiple entier de la demi-longueur d'onde acoustique. Dans ce cas, on a en effet un ventre de pression au foyer où sera placé, de préférence, le plan de sortie du cornet.
  • Cette condition dépend évidemment, à fréquence d'émission donnée, de la longueur d'onde et donc de la température T de l'air dans le fond de l'antenne.
  • Autrement dit, pour une position donnée du capteur dans l'axe du paraboloïde, celui-ci enregistrera, pour un même signal à l'entrée de l'antenne, des amplitudes différentes en fonction de la température T du moment, la structure de franges d'interférence établies se dilatant ou se contractant suivant que la température augmente ou diminue.
  • La présente invention concerne un procédé automatique d'adaptation de l'antenne ainsi que le dispositif de mise en oeuvre lui permettant de suivre l'évolution de cette structure de franges d'interférence en fonction de la température T de telle sorte que l'enregistrement du signal se fasse toujours au voisinage du même ventre de pression. Selon un mode d'exécution préféré de ce procédé, la fréquence d'émission restant fixe, l'enregistrement du signal se fait dans le plan de sortie d'un cornet qui est mobile dans l'axe du paraboloïde et dont le déplacement s'effectue suivant une loi en T-'i2 correspondant au déplacement théorique de la structure d'ondes stationnaires.
  • La variation relative ΛX de l'abscisse Xo du ventre de pression aura alors pour expression en fonction de la variation relative de température Λ T:
    Figure imgb0001
  • Le déplacement du plan de sortie du cornet suivant cette loi sera avantageusement commandé par le mouvement d'une tige de vérin dont la capacité en huile servira de sonde de température.
  • Selon une variante, le plan de sortie du cornet restant fixe, au foyer par exemple, on modifie la fréquence d'émission selon une loi en T-'/2 correspondant au déplacement théorique de la structure de franges d'interférence, de telle sorte que le ventre de pression reste immobile quelles que soient les variations de température. La variation relative Λf de la fréquence fo égale à la variation relative Δλ de la longueur d'onde λ0, aura alors pour expression en fonction de la variation relative de température:
    Figure imgb0002
  • Les variations de températures enregistrées par une sonde située entre le fond du paraboloïde et le plan de sortie du cornet sont transformées, dans un circuit électronique adéquat, en variations de tension, elles-mêmes converties en variations de fréquence par un convertisseur classique tension/fréquence.
  • Dans ce cas, la bande passante du filtre centrée sur la fréquence d'émission est dans une première version fixe, la bande passante relative Λf/fo étant telle qu'elle permette de filtrer le signal sans atténuation dans une gamme de température fixée telle que:
    Figure imgb0003
  • Dans une seconde version, la bande passante du filtre reste centrée sur la fréquence d'émission et suit son évolution par un système suiveur: dans ce cas, le filtre est du type numérique.
  • La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, illustrera, à titre d'exemple non limitatif, deux modes de réalisation de l'invention.
    • - la figure 1 est une coupe axiale schématique d'une antenne classique.
    • - la figure 2 est une présentation schématique du phénomène de franges d'interférence établies entre le fond du paraboloïde et le plan de sortie du cornet.
    • - la figure 3 est une représentation synoptique du mode d'adaptation de l'antenne par un dispositif électronique selon l'invention.
    • - la figure 4 est une représentation schématique du mode d'adaptation de l'antenne par un moyen mécanique selon une variante de l'invention.
  • Sur la figure 1, on a représenté d'une manière schématique une antenne de radar acoustique 1 constituée d'une surface parabloïdique 2 prolongée par une hotte 3 recouverte intérieurement d'un matériau absorbant acoustique 4. Une chambre d'émission 6, telle qu'une chambre de compression, prolongée par un cornet 7 est maintenue dans l'axe 5 de cette antenne 1 dont elle est rendue solidaire par une liaison rigide 8 telle qu'un trépied. On a représenté un pinceau théorique d'ondes sonores rétrodiffusées 9 déterminant la surface efficace 10 de l'antenne 1; les ondes sonores engendrées par la chambre d'émission 6 suivent théoriquement le chemin inverse. La portion de surface 11 située dans l'axe 5 du paraboloïde est partiellement masquée par la présence du système d'émission et de réception.
  • Sur la figure 2 est représenté schématiquement le déplacement de la structure de franges d'interférence 12 en fonction de la température T: le ventre de pression 13 situé au foyer, à l'abscisse Xo, se déplace de LlX pour une température T=To+ΔT, le plan de sortie 15 du cornet 7 se déplaçant de la même valeur théorique:
    Figure imgb0004
  • Sur la figure 3 est représenté schématiquement le dispositif électronique d'adaptation de l'antenne 1; le plan de sortie 15 du cornet 7 étant situé au foyer du paraboloïde, à l'abscisse Xo, la fréquence d'émission f est modifiée pour compenser l'évolution théorique de la structure de franges d'interférence en fonction de la température. Le rétablissement du ventre de pression 13 à l'abscisse Xo entraîne une variation de fréquence Af autour de la fréquence fo telle que:
    Figure imgb0005
  • Les différentes étapes de la transformation de l'indication de la température T en ° K donnée par la sonde de température 14 sont symbolisées par des blocs 27. La variation de température T est transformée dans un circuit électronique classique 27A en variation de tension V qui à son tour est transformée en variation de fréquence f par un convertisseur classique tension/fréquence 27B. Cette variation de fréquence est traitée dans un micro-ordinateur 27C qui réagit au niveau de l'émission E en modifiant la fréquence et au niveau de la réception R en modifiant les filtres, de telle sorte qu'ils soient toujours centrés sur la fréquence d'émission.
  • Sur la figure 4 est représenté le système mécanique d'adaptation de l'antenne 1 permettant de déplacer le plan de sortie 15 du cornet suivant la loi théorique d'évolution de - - structure de franges d'interférence en fonction de la température. Ce système mécanique comporte un vérin hydraulique 16 disposé dans l'axe 5 du paraboloide 2 et supporté par une platine fixe 17. L'extrémité 18 de la tige 19 de ce vérin 16 est solidaire d'un équipage 20 mobile dans l'axe 5 du paraboloïde et comprenant la chambre d'émission 6 prolongée par le cornet 7, l'ensemble étant supporté par un châssis constitué de deux plaques parallèles 21 et 22 coulissant le long de colonnes ou guides verticaux 23 supportés par le platine fixe 17 liée rigidement à la structure du paraboloïde 2 par le système de trépied 8.
  • Les colonnes 23 sont solidarisée à leur partie inférieure par une plaque 24 percée d'une ouverture circulaire 25 laissant le libre passage à l'équipage mobile 20. La capacité du vérin hydraulique 16 communique avec un serpentin 26 en cuivre ou tout autre matière bonne conductrice de la chaleur, qui constitue alors la sonde de température représentée schématiquement en 14 sur la figure 3. La capacité totale de 16 et 26 est telle que, pour une variation ΛT de la température au niveau du cornet 7, la tige 19 du vérin 16 se déplace de la longueur voulue:
    Figure imgb0006
  • Le dispositif mécanique de mise en oeuvre du procédé n'est pas limité au mode de réalisation de la figure 4 et il pourrait en particulier être réalisé par un système de bras articulés prenant par exemple appui sur le trépied 8, à la manière d'un mécanisme de parapluie où les baleines seraient fixes.

Claims (12)

1. Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique propre à améliorer la qualité de la réception du signal acoustique réfléchi par la cible et capté par un cornet (7) dont le plan de sortie (15) est situé à l'optimum de réception, à proximité du foyer d'un paraboloide (2) ayant une distance focale qui est un multiple entier de la demi-longueur d'onde émise, lequel multiple est une caractéristique de la configuration du paraboloïde choisi, compte tenu de ce que les conditions de réception sont perturbées par l'apparition d'un système de franges d'interférence qui s'établit naturellement entre le fond du paraboloïde (2) et le cornet (7) et qui évolue avec la température (T) régnant dans le fond de l'antenne, caractérisé en ce qu'on corrige automatiquement cette évolution par un réglage en fonction de cette température (T) faisant coïncider la position du plan de sortie (15) du cornet (7) avec le même ventre de pression (13) repéré à partir du fond du paraboloïde (2) par ledit multiple de la demi-longueur d'onde.
2. Dispositif d'adaptation d'une antenne de radar acoustique par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est mesurée par une sonde (14) située au voisinage du cornet (7).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le plan de sortie (15) du cornet (7) étant fixé au foyer du paraboloïde (2) ou à son voisinage, le réglage est réalisé par un dispositif électronique (27) modifiant la fréquence d'émission.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les variations de température (T) détectées par la sonde (14) sont transformées dans un circuit électronique (27A) en variations de tension (V), elles-mêmes converties en variation de fréquence (f) par un convertisseur classique: tension/fréquence (27B), la variation de fréquence Λf autour de la fréquence d'émission de référence fo devant satisfaire à la relation suivante:
Figure imgb0007
5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les filtres utilisés pour l'analyse du signal restent centrés sur la fréquence d'emission par un système suiveur.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bandes passantes des filtres utilisés pour l'analyse du signal restent fixes et sont telles que la bande passante relative: Af/fo permette de restituer le signal sans atténuation dans une gamme de température fixée ΛT telle que
Figure imgb0008
7. Dispositif d'adaptation d'une antenne de radar acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence d'émission restant fixe, le réglage est réalisé par un dispositif mécanique commandé par la sonde de température (26) et modifiant la position du plan de sortie (15) du cornet (7) dans l'axe (5) du paraboloïde (2).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les variations de température enregistrées par la sonde (26) sont transformées par le dispositif mécanique en un déplacement du plan de sortie (15) du cornet (7) dans l'axe (5) du paraboloïde (2), la variation d'abscisse ΛX par rapport à l'abscisse Xo du foyer devant satisfaire à la relation:
Figure imgb0009
9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le dispositif mécanique comporte un vérin hydraulique (16) commandé par la sonde de température (26).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le vérin (16) est disposé dans l'axe (5) du paraboloïde (2) et supporté par une platine fixe (17), l'extrémité (18) de la tige (19) de ce vérin (16) étant solidaire d'un équipage (20) mobile le long de l'axe (5) du paraboloïde et comprenant la chambre d'émission (6) prolongée par le cornet (7), l'ensemble étant supporté par un bâti fixe (8) rigidement lié à la structure du paraboloïde.
11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la capacité du vérin (16) communique avec un serpentin (26) qui l'entoure et qui constitue la sonde de température, la capacité totale du vérin et du serpentin étant telle que, pour une variation ΛT de la température, la tige (19) du vérin se déplace de la IongueurdXvoulue.
EP80401870A 1979-12-27 1980-12-24 Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique et dispositif pour sa mise en oeuvre Expired EP0032095B1 (fr)

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FR7931740A FR2472803A1 (fr) 1979-12-27 1979-12-27 Procede d'adaptation des antennes d'un radar acoustique et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede

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