FR2591754A1 - Procede passif d'evaluation de grandeurs d'etats d'une cible en mouvement rayonnant des impulsions sonores dans l'eau - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé passif d'évaluation de grandeurs d'états d'une cible en mouvement rayonnant des impulsions sonores dans l'eau. Le procédé consiste essentiellement à détecter des fréquences Doppler fsci produites par des échos et à déterminer, au moyen de ces fréquences d'échos Doppler, les grandeurs d'états de la cible S, comme sa distance, sa vitesse, son trajet et sa fréquence d'émission. L'invention s'applique notamment au repérage des navires de surface ou des torpilles à partir d'un sous-marin. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La préstSF="-nvention concerne un procédé passif d'évaluation de grandeurs d-'états, comme la distance, la vitesse, le trajet et/ou la fréquence d 'émission d'une cible en mouvement rayonnant dans l'eau des impulsions sonores, comme un navire, une torpille ou similaire, avec un sonar actif, a partir d'un point de réception éloigné de la cible.

Un procédé connu dans ce domaine, appelé généralement "ping steeling technique" utilise l'effet de propagation sur plusieurs voies dans un canal acoustique. A cet effet, à partir de la différence de temps de transit entre l'impulsion sonore reçue directement, c'est-a-dire dans la direction goniométrique du récepteur vers l'émetteur et de la ou des impulsions sonores reçues par des trajets détournés, tout d'abord la position puis, par un traitement d'intégration par rapport au temps, également la vitesse de l'émetteur sont déterminéesapproximativement. Mais ce procédé suppose une bonne connaissance des conditions de propagation du son qui régnent;Dsrns les eaux peu profondes avec la plupart du temps une connaissance réduite des propriétés des canaux dans l'eau, ce procédé ne peut pas être appliqué.

L'invention a donc pour objet de proposer un procédé passif, tel que défini ci-dessus, avec lequel des grandeurs d'états d'une cible peuvent être déterminées avec une précision relativement élevée, indépendamment de la connaissance des propriétés du canal acoustique. Ce procédé convient particulièrement pour des eaux peu profondes. En même temps, ce procédé peut être mis en oeuvre du côté du récepteur avec des antennes ou des structures courantes, comme en comportent les installations de sonar passif connues, ce qui évite tout équipement complémentaire, particulièrement pour l'antenne ou la structure.

L'invention concerne donc un procédé passif d'évaluation de grandeurs d'états, comme la distance, la vitesse, le trajet et/ou la fréquence d'émission d'une cible en mouvement émettant dans l'eau des impulsions sonores, comme un navire, une torpille ou similaire avec un sonar actif, à partir d'un récepteur éloigné de la cible, ce résultat étant obtenu grace au fait que des fréquences
Doppler apparaissant dans des échos sont détectées et que, au moyen de ces fréquences d'écho Doppler, les grandeurs d'états de la cible sont déterminées.

Le procédé selon l'invention utilise directement les propriétés des canaux acoustiques en eaux peu profondes qui étaient considérées jusqu'ici comme gênantes pour la localisation acoustique, à savoir les échos apparaissant renforcés avec les effets de la dispersion des fréquences Doppler dans les échos d'un signal de localisation, et la dépendance de la direction et du temps de cette dispersion des fréquences. Le procédé selon l'invention présente l'avantage qu'aucun équipement supplémentaire n'est nécessaire. Ce procédé peut être appliqué.

sans modification notable d'une installation de sonar passif existante, avec par exemple une structure cylindrique, simplement par le traitement des signaux. Des opérations partielles nécessaires dans le procédé, pour le traitement des signaux, la formation des faisceaux et l'analyse des fréquences existent déjà telles quelles dans une série d'installations de sonar passif connues, de sorte que le procédé peut être appliqué avec peu d'équipements complémentaires dans une installation de sonar existante.

Le procédé selon l'invention donne une grande précision.

Même dans des conditions limites défavorables, il donne des valeurs d'évaluation de la distance entre la cible portant l'émetteur et le récepteur avec une erreur inférieure à 10%.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention, lesfréquences d'écho Doppler maximaux et minimalesont wecher- chées et la fréquence d'émission est déterminée comme une moyenne arithhe- tique à partir ae oes fréquences d'écho Doppler maximale et etminimale ; la vitesse de la cible est déterminée comme le quotient de la différence des fréquences d'écho Doppler maximale et minimas par le double de la fréquence d'émission, multiplié par la vitesse du son dans l'eau; et la fréquence Doppler de l'impulsion émise est H~m1nee,~-êz t aiet est déterminé comme l'arc-cosinus du quotient de la différence entre la fréquence Doppler et la fréquence d'émission d'une part et la demi-différence entre les fréquences d'écho Doppler maximale et minimale d'autre part. Grâce à une estimation supplémentaire de la fréquence Doppler de l'impulsion émise dans le signal direct, c'est-a-dire dans le signal qui arrive dans la direction goniométrique, la fréquence d'émission et la vitesse ainsi que le trajet de la cible peuvent être déterminés.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les échos sont reçus sélectivement dans des directions et la fréquence Doppler de l'impulsion émise est obtenue à partir du signal direct de l'impulsion émise reçue dans une direction de réception sélective dirigée vers la cible ou direction goniométrique, et les fréquences extrêmes d'écho Doppler sont obtenues à partir de signaux d'écho reçus dans deux directions de réception non dirigées vers la cible, et situées de chaque coté de la direction goniométrique. Dans les deux directions de réception sélective non dirigées vers la cible, ou les canaux orientes de I1 installation sonar, les fréquences d'écho Doppler extrêmes complémentaires sont reçues, c' est-à-dire que dans un canal orienté, une fréquence d'écho Doppler maximale est détectée, et dans l'autre une fréquence d'écho Doppler minimale.Par direction de réception sélective, il faut comprendre ici l'angle d'ouverture habituel 26 3 de la caractéristique de réception. Une réduction de angle d'ouverture 28 3 améliore la précision de détection des fréquences d'écho Doppler. I1 est actuellement courant que des sonars passifs produisent des angles d'ouverture 26 de 20 afin d'obtenir des résultats tout à fait bons. La réception orientée des échos élimine les limitations nécessaires de la réception non orientee ou omni-directionnelle d'un récepteur stationnaire ou quasi-stationnaire. Au contraire, le récepteur peut se déplacer de façon non limitée.L'effet Doppler propre qul apaBait dans ce cas peut être éliminé par le calcul sans difficulté, en raison de la vitesse connue et du trajet connu du récepteur.

Selon une autre caractéristique, les échos sont reçus dans un grand nombre de directions de réception sélective décalées en azimut d'un certain angle les unes par rapport aux autres, dont une direction dirigée vers la cible, la fréquence Doppler de l'impulsion émise est obtenue à partir du signal d'écho reçu dans la direction de réception sélective dirigée vers la cible ou direction goniométrique, et les fréquences d'écho Doppler extrêmes sont obtenues à partir des fréquences d'écho Doppler apparaissant dans les signaux d'écho reçus dans les directions non dirigées vers la cible, à un instant prédéterminé après l'arrivée du signal direct de l'impulsion sonore dans la direction goniométrique.Cette disposition élimine l'inexactitude de mesure gui peut apparaître quand les deux directions de réception sélective non dirigées vers la cible sont choisies de façon défavorable par rapport au trajet de la cible encore inconnu.

Selon une autre caractéristique de l'invention, une fréquence d'écho Doppler sélectionnée fl est calculée à partir de la fréquence d'émission fm, de la vitesse vS et du trajet kS de la cible par l'équation

où 6 est choisi arbitrairement et la durée tl entre l'arrivée du signal direct dans la direction goniométrique jusqu'à la détection de la fréquence d'écho Doppler sélectionnée fl dans la direction de réception non dirigée vers la cible f1 est mesurée, et la distance R est calculée à partir de la durée tl mesurée d'après l'équation

avec
R
R+c.t1
Ainsi, avec les valeurs déterminées de trajet, de vitesse et de fréquence d'émission de la cible, et au moyen d'une mesure prédéterminée, la distance de la cible et par conséquent sa localisation peuvent être déterminées avec une exactitude suffisante.

Selon une autre caractéristique encore, pour au moins un instant t1 prédéterminé a partir de la réception du signal direct de l'impulsion sonore arrivant dans la direction goniométrique, les fréquences d'écho Doppler f.

sont calculées pour un grand nombre de directions de réception sélective ai non dirigées vers la cible, décalées en azimut les unes par rapport aux autres d'un certain angle, selon l'équation

avec R
R+c.t1 où les grandeurs d'états inconnues R, vs, kS, fm constituant les paramètres sont données préalablement comme des valeurs fictives, puis un procédé d'évaluation approprié, par exemple une estimation par le moindre carré moyen, les valeurs des paramètres sont modifiées de façon itérative jusqu'à ce qu'un critère d'évaluation soit satisfait, par exemple d'une valeur minimale de la différence quadratique moyenne entre les fréquences d'écho Doppler calculées fi et les fréquences d'écho Doppler détectées f SCi dans les directions de réception ai a cet instant, et les valeurs des paramètres satisfaisant le critère d'évaluation sont données comme les grandeursd'états recherchées R, vs, RSt m . Grace à ces dispositions, la fiabilité de l'évaluation de distance est considérablement améliorée. Le grand nombre des valeurs de base utilisées pour l'évaluation dans les differentes directions de réception permet d'éliminer les perturbations dans la structure des échos et par conséquent, une fausse localisation.

Selon d'autres caractéristiques encore de l'invention, le calcul des fréquences d'écho Doppler est effectué pour un grand nombre d'instants calculés à partir de l'arrivée du signal direct de l'impulsion sonore dans la direction goniométrique et le procédé d'évaluation est appliqué comme un procédé d'évaluation bidimensionnel pour les fréquences d'écho Doppler calculées; et pour l'application des valeurs fictives des paramètres, les grandeurs d'états déterminées sont introduites au moins en partie comme des valeurs de départ. Grâce à ces diverses dispositions, l'utilisation desgrandeurs d'états déterminées comme les valeurs de départ pour l'application des paramètres permet de réduire considérablement la masse de calculs dans les opérations d'évaluation.

Pour le procédé décrit ci-dessus, il suffit en principe après le repérage de la cible d'une seule impulsion émise pour détecter cette cible avec toutes ses grandeurs d'états. L'utilisation d'autres impulsions émises dans cette technique ne sert qu'à améliorer les résultats de l'évaluation des grandeurs d'états.

Cependant, si une série d'impulsions sonores sont émises par la cible, il est possible en outre d'évaluer la distance de la cible selon une autre caractéristique de l'invention, selon laquelle l'émetteur est repéré de façon passive et continue à partir de l'émetteur et, après une compensation éventuelle du mouvement propre du récepteur, les variations dans le temps du repérage d sont mesurées, une variation de repérage dans le temps A t est calculée par l'équation Ad VS . sin k
A R S en utilisant les valeurs déterminées de vitesse vs, de trajet kS de la cible, la valeur inconnue de la distance
R de la cible étant pose comme une valeur fictive de paramètre, au moyen d'un procédé d'évaluation approprié, les valeurs de paramètre sont modifiées de façon itérative jusqu'à ce qu'un critère d'évaluation soit satisfait et la valeur de paramètre satisfaisant le critère d'évaluation est posé comme la valeur de distance de la cible R.

Conjointement avec le procédé d'évaluation précité, il est possible d'obtenir deux résultats, déterminés séparE- ment, de la même distance de la cible, avec lesquels l'évaluation réelle peut être encore améliorée au moyen d'un procédé de compensation de faute.

Selon une autre caractéristique encore de l'invention, les fréquences d'écho Doppler sont déterminées dans au moins une direction de réception sélective non dirigée vers la cible pour un grand nombre d'instants d'une trame temporelle qui se déroule a partir de la réception d'un écho, les fréquences d'écho Doppler sont calculées pour la même trame temporelle sous forme d'une courbe continue indépendamment de cette direction de réception, les valeurs d'états inconnues de la cible formant des paramètres qui sont posés comme des valeurs d'évaluation, les valeurs d'évaluation d'au moins un paramètre étant modifiées et une courbe continue étant établie pour chaque valeur d'évaluation, la variante entre chacune des courbes continues et les valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps obtenues a partir des échos étant calcu lées et la valeur d'évaluation du paramètre d'une courbe continue pour laquelle la variance est minimale étant donnée comme une grandeur d'état de la cible. Cette disposition presente l'avantage de s'appliquer avec une seule, mais au maximum avec trois directions de réception sélective seulement qui sont décalées en azimut les unes par rapport aux autres d'un certain angle.Etant donné que l'ensemble de la structure des échos pendant toute la durez de réception est utilisée pour la détermination des fréquences d'écho
Doppler - et non seulement les valeurs de base choisies les perturbations de la structure des échos peuvent etre facilement identifiées, et éliminées sans problème pour le calcul des grandeurs d'états. Les circuits électro- niques pour former le nombre maximal de trois directions de réception, ou autrement dit trois faisceaux préformes sont relativement peu importants.

Selon une autre caractéristique encore de l'invention, les échos sont reçus simultanément dans une direction de réception sélective dirigée vers la cible et les fréquences d'écho Doppler sont déterminées pour une trame temporelle qui se déroule à partir de l'arrivée de l'impulsion émise au récepteur (signal direct) et la plus grande et la plus petite fréquences d'écho Doppler sont détectées, dont la demi-somme est posée comme fréquence d'émission de la cible. Grâce au repérage de l'émetteur au moyen d'un faisceau goniométrique séparé et en raison du rapport signal-bruit très élevé, aussi bien l'instant de réception d'écho que la valeur la plus haute et la valeur la plus basse des fréquences Doppler peuvent être détectées de façon sure, ces valeurs supérieure et inférieure étant symétriques par rapport à la fréquence moyenne de l'impulsion émise. La fonction en gradins de la variation de la fréquence d'écho Doppler en fonction du temps, apparaissant dans le faisceau goniométrique, permet une détermination sure de la fréquence moyenne, donc de la fréquence-d'emis- sion.

Selon d'autres caractéristiques de 11 invention, la composante de vitesse radiale de la cible est calculée comme un produit de la différence entre la plus grande ou la plus petite fréquence d'écho Doppler et la fréquence d'émission, par le quotient de la vitesse du son dans l'eau par la fréquence d'émission; la fréquence d'écho Doppler maximale et/ou minimale est déterminée à partir des valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps obtenues à partir des échos daTiffPI t2CY. iréception non dirigée vers la cible et à partir de là, et de la fréquence d'émission, la vitesse de la cible est calculés sous forme du produit du décalage Doppler maximal par le quotient de la vitesse du son dans l'eau par la frequence d'émission; et le trajetdela cible par rapport à la direc tionderéception dirigée vers la cible est calculée comme l'arc-cosinus du quotient de la composante radiale de vitesse de la cible par la vitesse. Egalement comme dans la mise en oeuvre du procédé déjà décrite, la vitesse et le trajet de la cible est déterminé à partir des valeurs extrêmes de la fréquence d'écho Doppler, donc à partir de la fréquence d'écho Doppler maximale et/ou minimale.Mais étant donné que contrairement à cette variante du procédé, pour une direction de réception, tout l'ensemble des fréquences Doppler en fonction du temps, c'est-à-dire la courbe des fréquences d'écho Doppler en fonction du temps est déterminée pour toute la durée de réception des échos, les perturbations dans la structure des échos peuvent être facilement reconnues et les valeurs réelles extrêmes qui correspondent aux fréquences Doppler minimale et maximale sont déterminées avec une très grand fiabilité.

Selon une autre caractéristique encore de l'invention, la détermination de la fréquence d'écho Doppler en fonction du temps est effectuée dans une autre direction de réception sélective non dirigée vers la cible,qui est déca lée par rapport à la première direction de réception d'un angle fixe prédéterminé, et de préférence de manière que les deux directions de réception non dirigées vers la cible soient symétriques par rapport à la direction de réception dirigée vers la cible. Avec les rapports géométriques déterminés entre le trajet de la cible et la direction de réception choisie, non dirigée vers la cible, la fréquence d'écho Doppler minimale ou maximale ne peut être déterminée par des techniques de mesure.Mais dans ce cas, à partir des valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps1 selon l'invention, dans la direction de réception sélective non dirigée vers la cible, qui est dans une autre relation géométrique avec l'émetteur, la fréquence d'écho Doppler minimale ou maximale qui ne peut être détectée dans la première direction de réception est déterminée.

Selon une autre caractéristique encore de l'invention, la fréquence d'écho Doppler maximale et/ou minimale est déterminée dans l'autre direction de réception non dirigée vers la cible, le décalage Doppler maximal est déterminé avec la fréquence d'écho Doppler maximale et/ou minimale dans les deux directions de réception non dirigées vers la cible et le calcul de la vitesse et du trajet de la cible est effectué avec ce décalage maximal. Grâce à cette disposition, l'exactitude des valeurs d'états calculées de la cible est considérablement augmentée car, pour le calcul des grandeurs d'états, la direction de réception dans laquelle apparaissent des valeurs extrêmes sans ambigüité des fréquences d'écho Doppler est utilisée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le calcul de la courbe continue avec la grandeur d'états de distance de cible obtenue comme grandeur d'évaluation et avec au moins l'une des autres grandeurs d'états comme paramètre avec une grandeur d'états variableestrépétée, de la meme manière le calcul de variance et la détermination du minimum de variance est effectuée et avec les valeurs ainsi calculées des grandeurs d'états de la cible, les opérations précédentes sont répétées avec au moins une autre grandeur d'états comme paramètre jusqu'a ce que la variation de la grandeur d'états posée ne dépasse plus une valeur prédéterminée.Grâce à ces opérations supplémentaires, les résultats d'évaluation pour les grandeurs d'états inconnues sont considérablement améliorés de façon itérative et ainsi, une détection et une détermination de la cible extrêmement précises sont obtenues.

Le procédé selon l'invention n'est pas seulement applicable lorsque la cible émet des impulsions sonores de façon omnidirectionnelle. Egalement dans un autre mode d'émission fréquemment utilisé dans des sonars actifs, comme en fonctionnement RDT, CRDT ou XRDT, dans lesquels un faisceau d'émission étroit pivote dans une région angulaire horizontale, le procetWet selon Irinvention donne également de bons résultats pour les grandeurs d'états de la cible qui émet.

Selon une autre caractéristique encore de l'invention, à l'apparition d'un décalage dans le temps entre la détection d'écho dans les deux directions de réception non dirigées vers la cible, une cible avec un faisceau d'émission tournant est détectée et le décalage dans le temps est déterminé comme durée de rotation du faisceau d'émission. Selon cette disposition, une cible avec un sonar actif qui émet en mode RDT est détectée lorsqu'un décalage de temps apparaît entre la détection d'écho dans les deux directions de réception non dirigées vers la cible. A partir de ce décalage dans le temps, il est possible en outre de calculer la durée de rotation du faisceau d'émission.

Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, à l'apparition d'un décalage dans le temps de l'arrivée d'un écho dans la direction de réception dirigée vers la cible par rapport au point zéro de la trame temporelle, une cible avec un faisceau d'émission tournant est détectée et le double du décalage dans le temps est déterminé comme temps de rotation du faisceau d'émis sion. Grâce à cette disposition, une cible avec un émetteur au-dessous de l'eau fonctionnant dans le mode RDT peut être aussi détectée lorsque dans un faisceau goniométrique, donc un faisceau de réception sélectif dirigé vers la cible, il apparat un décalage dans le temps entre l'arrivée de l'impulsion émise et l'arrivée de l'écho. Là aussi, ce décalage dans le temps est une mesure de la vitesse de rotation du faisceau d' émission.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels
la Fig. 1 est un schéma de principe d'un modèle d'un volume produisant des échos dans l'eau avec une rela- tion géométrique momentanée choisie arbitrairement entre un émetteur en movement S t un récepteur E immobile ou en mouvement,
la Fig. 2 est un schéma similaire à celui de la
Fig. 1 avec un récepteur à trois directions de réception sélectives au total,
la Fig. 3 montre des courbes de fréquence d'écho
Doppler en fonction du temps reçues dans une seule direction de réception sélective dans le cas d'un émetteur-ODT,
la Fig. 4 montre également des courbes de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps dans le cas d'un émetteur RDT,
les Figs. 5 et 6 sont des schémas de circuits pour la mise en oeuvre du procédé d'évaluation de grandeurs d'états,
la Fig. 7 est un sahéma simplifié d'un extracteur de données dans les circuits des Figs. 5 et 6, et
la Fig. 8 est un schéma simplifié illustrant l'application du procédé dans un second mode de réalisation.

Le procédé d'évaluation de grandeurs d'états inconnuesd'une cible en mouvement à partir d'une position de réception éloignée de la cible sera decrit ci-après en regard du schéma de principe de la Fig. 1. Il sera supposé que la cible émet à des intervalles, de l'énergie acoustique, par exemple des impulsions sonores. Dans l'application préférée du procédé, la cible consiste en un navire de surface qui, pour la détection sous-marine, porte a bord de la manière habituelle, une installation de sonar actif dont l'émetteur emet des impulsions sonores, par exemple des impulsions d'ondes entretenues a bande etroite. La cible, ou le navire de surface, avec son intercepteur-émetteur est désigné par S sur la Fig. 1.Il se déplace le long d'un trajet kS avec une vitesse vS inconnue du récepteur. Dans une application préférée du procédé, le récepteur E immobile ou en mouvement consiste en un sous-marin immobile ou se déplaçant le long d'un trajet kE avec une vitesse vE et équipé d'une installation de sonar passif par lequel les impulsions sonores ou les signaux d'interception peuvent être reçus. Il sera supposé dans cette application du procédé que le canar acoustique entre l'émetteur S et le récepteur E produit des échos, ce qui est particulièrement vrai dans des eaux peu profondes, comme la Mer du
Nord. Les échos sont provoqués par des discontinuités dans l'eau qui, par exemple dans l'eau de mer, font intervenir les différences de température ou de salinité, l'inclusion d'air, la teneur en particules ou en microorganismes et qui produisent les sauts d'impédance.Sous l'effet de l'énergie acoustique que rayonne l'émetteur, ces discontinuités donnent lieu à des réflexions et des diffusions. I1 est possible d'imaginer ces discontinuités comme des centres fictifs à diffusion SCi qui sont excités par une impulsion sonore de fréquence moyenne f provenant
m de l'émetteur en mouvement avec la fréquence

Dans ce cas, ssi est l'angle entre la direction du mouvement de l'émetteur et la direction dans laquelle chaque centre de diffusion SCi est vu de l'émetteur.Une partie de l'énergie acoustique est diffusée dans la direction de réception sélective dans l'espace du récepteur, de sorte que ces centres de diffusion SCi apparaissent au récepteur, suivant la direction de réception ou l'axe du faisceau de réception comme des émetteurs fictifs voisins avec des fréquences différentes fsci. Dans le cas d'un récepteur immobile, ces fréquences différentes fSci peuvent être détectées directement dans le canal de réception sélectif du récepteur.Dans le cas où le récepteur se déplace avec la vitesse vE, ces fréquences sont décalées par un autre effet Doppler, l'effet dit Doppler propre qui résulte du mouvement relatif du récepteur par rapport aux centres de diffusion SC; et apparaissant au récepteur sous la forme

où est l'angle entre le vecteur de vitesse v E du récepteur et la direction dans laquelle l'émetteur fictif est vu du récepteur, c'est-à-dire la direction de réception sélective du récepteur. Etant donné que le vecteur de vitesse du récepteur et la direction de réception sélective sont connus, l'effet Doppler propre dans le canal de réception peut être compensé et ainsi, la fréguence d'émission fsci de l'émetteur fictif SCi peut être détectée.

Au cours de la description qui va suivre, les fréquences compensées en effet Doppler propre fEscit qui sont identiques aux fréquences fsci rayonnées par l'émet- teur fictif SCi sont appelées des fréquences d'écho
Doppler.

Grâce au procédé qui sera maintenant décrit, des grandeurs d'états de la cibler.unie d'un intercepteur-ér..etteur
S, inconnues du récepteur E, sont é v a l u é e s par grandeurs d'états il faut comprendre le trajet kS et la vitesse vS de la cible S, la fréquence d'émission ou fréquence moyenne fm de l'intercepteur-émetteur de la cible et la distance R entre la cible S et l'émetteur E. Au moyen de ces grandeurs d'états, une cible inconnue S peut être localisée à partir de la position de réception E et le comportement de cette cible peut être intégralement décrit par le trajet, la vitesse et la fréquence d'émission.

L'émetteur E possède au moins une direction de réception sélective I, dite Faisceau Préformé, ou un canal de réception orienté. Cette direction de réception I est choisie arbitrairement mais il n'est pas nécessaire qu'elle soit orientée directement vers la cible S, ce qui sera appelé ci-après "non dirigé vers la cible". En raison du phénomène physique dans l'eau décrit ci-dessus, des échos produits par des impulsions sonores de durée T apparaissent dans la direction de réception sélective I, c'est-à-dire le canal de réception orienté.Ces échos sont fonction du temps et seront également appelés des signaux d'écho.Les spectres de fréquence sont formés avec les échos reçus dans la direction de réception sélective I et ce pour un grand nombre de points d'une trame temporelle qui se déroule à partir de l'instant de réception de l'écho, c'est-à-dire à partir de l'instant de la détection d'un écho dans la direction de réceptions les fréquences dscha Doppler fsci que contiennent les spectres de fréquence étant déterrninees et attribuées à l'instant t. correspondant.

Le grand nombre de ces valeurs de temps et de fréquence d'écho Doppler donnent une courbe en fonction du temps des fréquences d'écho Doppler fSC = g(t) représentée schématiquement par I sur la Fig. 3. Il est supposé dans ce cas que la vitesse vE du récepteur est nulle. Mais si le récepteur E se déplace avec la vitesse connue VE sur le trajet connu kE, il faut pour compenser l'effet
Doppler supplémentaire qui en résulte, c'est-à-dire l'effet Doppler propre, apporter dans le récepteur une compensation de vitesse en fonction de la direction
Les fréquences d'écho Doppler f. en fonction du temps t sont calculées pour la même direction de réception en fonction de l'extraction des valeurs~de temps et de fréquence d'écho Doppler à partir des échos dans la direction prédéterminée I: non orientée sur la cible.Pour la fréquence d'éeho Doppler f. à l'instant t = ti,

Dans les conditions illustrées par la Fig. 1 :
ssi = #-kS-#i (2) et la relation

où
K = (L cos α -1) (L-sin α;)-1 (4) c#ti
L = 1+ R (5)
F = L l (6) est établie, donnant fi = h (ti, R, VS, kS, fm) (7)
Il ressort de l'équation (7) que les fréquences Doppler fi a calculer sont fonction des variables indépendantes t ainsi que des paramètres R, vs, kS, f
m
Les fréquences d'écho Doppler f. pour un grand nombre d'instants successifs t sont maintenant calculées par l'équation (1) pour établir la courbe continue f = h(t).

Les paramètres inconnus R, vs, kS, fm sont donnés comme des valeurs d'évaluation. Les valeurs d'évaluation, choisies arbitrairement mais en rapport avec la réalité, sont modifiées pour chacun des paramètres, le pas de variation étant choisi de façon appropriée, et une courbe continue est tracée pour chaque valeur d'évaluation. Ensuite, la variance v2 entre la courbe continue f = h(t) et les valeurs de fréquence d'echo Doppler en fonction du temps fSC = g(t) (courbede fréquence d'écho en fonction du temps comme représenté en I sur la
Fig. 3) tirées des valeurs de mesure-, est calculée. Le minimum de la variance (d'estimation LMS) est établie à partir des variances calculées.La valeur d'évaluation de chaque groupe de paramètres dont la courbe continue associée donne la variance minimale, est considérée comme une grandeur d'états de la cible.

Avec ces quatre paramètres qui doivent tous varier les uns après les autres par des pas appropriés, la masse de calculs en pratique est très importante.

Mais cela peut être considérablement simplifié si l'on calcule, au moyen des fréquences d'écho Doppler fsci obtenues à partir de I'écho, les grandeurs d'états pour la fréquence moyenne fm la vitesse de la cible vS et le trajet de la cible ks, de manière qu'il ne reste comme variable indépendante, que la grandeur d'état de distance R de la cible comme un paramètre de la courbe continue en fonction du temps. La variation de la valeur d'évaluationpOur le seuÏparamètre R et le calcul de variance ne nécessitent alors qu'une partie de la masse de calculs nécessaire autrement.

Pour calculer les grandeurs d'états fmt VS et ks, et comme le montre la Fig. 2, le récepteur E possède une direction de réception sélective O supplémentaire qui est orientée vers la cible S. Le Faisceau
Préformé, ou le canal de réception orienté est appelé aussi un faisceau goniométrique. Les échos sont maintenant produits en plus dans la direction de réception
O dirigée vers la cible. De la manière déjà décrite, les spectres de fréquence des échos produits et à partir de là les valeurs de fréquence Doppler en fonction du temps fSC = g(t) sont déterminées. La trame temporelle ti commence dans ce cas avec l'arrivée du signal d'interception direct qui, en raison de la réception directe, coïncide avec l'arrivée de l'écho, donc avec l'instant de détection d'écho.Le tracé de la courbe de fréquence d'écho Doppleren fonction du temps, pour la direction de réception O dirigée vers la cible, et obtenu à partir des valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps, est représenté sur la Fig. 3 et désigné par O. Il apparait que la variation de la fréquence d'écho Doppler en fonction du temps se caractérise par une fonction en gradin qui, à l'instant ti = 0 saute d'une valeur inférieure à une valeur supérieure - ou inversement pour un trajet opposé de la cible - et qui reste ensuite constante. Si le trajet de la cible S se situe sur la ligne directe entre le récepteur et la cible, la valeur minimale et la valeur maximale correspondent à la fréquence minimale et à la fréquence maximale de l'écho Doppler.Mais dans tous les autres cas, ces valeurs extrêmes au point zéro, désignées ci-après par fex(+ ) et f ex (-0), inférieures à la fréquence minimale ou la fréquence maximale d'écho Doppler f min ou fmaxr se situent toujours symétriquement autour de la fréquence d'émission ou fréquence moyenne fm.

A partir des valeurs extrêmes supérieure et inférieure à la position t = t O, la fréquence moyenne fm est déterminée par :
1
fm = 2 { fex (-0)+ fex(+0) }(8) et à partir de là, la composante de vitesse radiale de la cible S est :
vSrad= (fex(-0) - fm) . c . fm-1 (9)
A partir des valeurs de fréquence d'écho
Doppler en fonction du temps obtenues dans la direction de réception I non dirigée vers la cible, une valeur extrême f ex est déterminée, qui est la fréquence d'écho
Doppler maximale ou minimale, fmax ou fmin Avec cette valeur extrême f ex et la fréquence moyenne calculée la vitesse de la cible-est calculée selon
c
vS = (fex -fm) . (10)
fm où la différence de fréquence #f = fex - fm est calculée de la manière habituelle comme le décalage Doppler ou la moitié de la largeur de bande Doppler.

A partir de la composante radiale de vitesse vsrad et de la vitesse vs, il est possible de calculer le trajet kS de la cible S par :

I1 n'est-pas possible de déterminer une fréquence d'écho Doppler minimale ou maximale f min ou f max par des techniques de mesure avec des relations géométriques déterminées entre la cible S et une direction de réception sélective I du récepteur E, non dirigée vers la cible. En particulier pour de grandes distances de la cible, avec de plus grandes périodes ti, le rapport signal-bruit est trop faible, de sorte que les fréquences d'écho Doppler sont fortement atténuées.Des fré quences d'écho Doppler maximales ou minimales f
ex (f max ou fmin) déterminées approximativement seraient entachées de grosses erreurs qui fausseraient considé- rablement les grandeurs d'etats à évaluer.Pour obtenir également dans ce cas une évaluation des grandeurs d'états valables, avec peu de fautes, le récepteur E comporte, comme le montre la Fig. 2, une autre direction de réception II non dirigée vers la cible, sur laquelle apparaissent également des échos et sur laquelle, de la même manière que pour la première direction de réception I non dirigée vers la cible, les fréquences d'écho Doppler fsci sont déterminées sur une trame temporelle qui se déroule à partir de l'arrivée d'un écho, donc à partir de l'instant de la detection d'écho.Un exemple d'une courbe de fréquence d'écho
Doppler en fonction du temps fsci = g(t) obtenue de cette manière dans la direction de réception Il est représenté sur la Fig. 3 et désigné par Il. La seconde direction de réception Il non dirigée vers la cible fait un angle par rapport à la première direction de réception I non dirigée vers la cible, et elle est de préférence symétrique a cette dernière, par rapport à la direction de réception O dirigee vers la cible, comme axe de symétrie.

Les fréquences extrêmes d'écho Doppler fmax ou fmin sont déterminées de la même manière à partir des valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps obtenues dans l'autre direction de réception sélective II non dirigée vers la cible. Dans chacune des deux directions de reception I et II non dirigées vers la cible apparat au moins une fréquence d'écho Doppler maximale ou minimale de sorte que le décalage Doppler = = fex~fm est déterminé. Le plus grand décalage Doppler est alors utilisé pour déterminer la vitesse vS et le trajet kS de la cible S, selon les équations (10) et (11).

L'établissement de la courbe continue fi = h(t) et le calcul de variance se font d'après celle des deux directions de réception I et II non dirigée vers la cible, dans laquelle apparaît le plus grand décalage Doppler Afmax. Dans le cas ou dans l'ensemble des directions de réception I et Il non dirigées vers la cible apparaissent au moins de plus grands décalages Doppler semblables AfmaXt comme dans l'exemple représenté sur la Fig. 3, la direction de réception dans laquelle apparait en premier le plus grand décalage Doppler est recherchée. Selon la Fig. 3, il s'agit de la seconde direction de réception sélective II non dirigée vers la cible, dans laquelle la fréquence d'écho Doppler minimale f min est détectée en premier.

En ce qui concerne le calcul de la vitesse de la cible vS d'après l'équation (10), la valeur de la vitesse vS est affectée d'un signe et ce signe est positif ou négatif selon la valeur extrême f max ou fmin utilisée. Compte tenu de ce signe et du choix de la direction de réception I ou II non dirigée vers la cible, l'équation (11) de détermination du trajet de la cible k8 peut s'écrire d'une façon générale

ou x est la direction de réception I ou Il non dirigée vers la cible et prend la valeur 1 ou 2.

Les grandeurs d'états de la cible S, obtenues par l'exploration de l'espace produisant des échos avec les trois directions de réception sélective 0, I, II représentées sur la Fig. 2, comme VS kS, fm et R, qui ont déjà atteint une bonne précision, peuvent encore être améliorées de façon itérative par le procédé suivant.

La valeur de distance R établie comme valeur d'évaluation fixe après l'établissement de la courbe continue au moyen dù?SaTlt ErvtrteneS, est posée comme un paramètre et une courbe continue fi = h(t) est établie par le calcul des fréquences d'écho Doppler d'après l'équation (1). L'un des autres paramètres, par exemple la fréquence moyenne fm, est modifié pas à pas à partir de la valeur calculée, d'après l'équation (8) dans le cas de fm et la courbe continue est calculée.

Par le calcul de variance pour les valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps fSCi = g(t) obtenues à partir des échos et de la détermination des minimum de variance a min ' d'une valeur plus approchée pour le paramètre correspondant est obtenue, par exemple pour la fréquence moyenne fm. Avec cette valeur d'évaluation améliorée d'un paramètre, le calcul de la distance de la cible R est à nouveau effectué de la manière déjà décrite, ce qui permet d'obtenir une valeur d'évaluation encore ameliorée pour la distance de la cible. Avec cette meilleure valeur d'évaluation de la distance de la cible, d'autres courbes avec des variations correspondantes d'un autre paramètre, par exemple la vitesse de la cible vS sont formées, après quoi les opérations décrites sont répétées.Dans l'ensemble, les operations décrites cidessus sont répétées de façon itérative jusqu'à ce que la variation des valeurs d'évaluation améliorées en cours de la distance de la cible ne diffèrent plus d'une valeur prédéterminée.

Dans le procédé expliqué au moyen de la courbe de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps de la
Fig. 3, il est supposé que l'intercepteur-emetteur de la cible S émet de façon omnidirectionnelle. Mais une installation de sonar actif a fréquemment la possibilité de changer le mode d 'émission. L'un des modes d'émission les plus courants est appelé RDT (Rotational Directional
Transmission) avec les variantes CRDT et XRDT. Dans tous ces modes d'émission, un rayonnement émis sous forme de faisceau, ou faisceau d'emission est orienté suivant un angle horizontal plus ou moins grand. Avec l'émetteur RDT, le faisceau émis tourne d'un angle horizontal complet de 3600.Avec l'émetteur CRDT, ~Erot!EStNUnsceaux d'émis- sion décalés de 1200 les uns par rapport aux autres et de même sens s o n t o r i e n t é s d ' u n angle horizontal de 1200. Avec l'émetteur XRDT, quatre faisceaux d'émission décalés les uns par rapport aux autres de 900 et de même sens pivotent dans une région angulaire de 900.

Avec des cibles S équipées de tels intercepteurs-émetteurs, les grandeurs d'états sont déterminées de la même manière. La Fig. 4 montre les courbes de fréquence d'écho Doppler obtenues à partir des échos dans les directions de réception sélective 0, I, II, par exemple pour une cible S équipée d'un émetteur RDT.

Le point zéro de la~trame-~temporelle pour la détermination des valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps fSCi = g(t) à partir des échos est déterminée à partir de l'instant d'arrivée des impulsions sonores, ou des signaux d'interception dans le récepteur, dans la direction de réception O dirigée vers la cible.

Comme le montre la Fig. 4, l'instant d'arrivée du signal direct et la réception d'écho, c'est-à-dire l'instant du début de réception d' écho dans la direction de réception
O dirigée vers la cible ne coïncident pas, mais présentent un décalage dans le temps. Ce décalage dans le temps permet de déterminer la présence d'un émetteur RDT. Le temps de propagation TUM du faisceau d'émission est calculé comme un décalage Doppler. La vitesse angulaire X du faisceau d'émission peut être déterminée directement à partir du temps de propagation TUM
Comme cela ressort des courbes de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps de la Fig. 4, dans les directions de réception I et II non dirigées vers la cible, les instants de début de réception d'écho dans les deux directions de réception I et II ne coïncident pas, comme avec un émetteur ODT, mais sont également décalés l'un par rapport à l'autre. Ce décalage dans le temps est également caractéristique de la présence d'un émetteur RDT dans la cible. Le décalage dans le temps correspond exactement au temps de propagation TUM du faisceau de l'émetteur RDT.

Le calcul et l'évaluation des grandeurs inconnues fm, VS ks, R se font de la même manière que celle décrite ci-dessus dans le cas d'un émetteur ODT
Comme le montrent les courbes de fréquence d'écho
Doppler en fonction du temps SCî = g(t) de la Fig. 4, il apparat éventuellement dans l'une des directions de réception non dirigée vers la cible, dans le cas présent la direction de réception Il, des ambiguïtés de la fonction. Cela est dû essentiellement au fait que sous l'effet de l'excitation intermittente non simultanée de l'espace produisant des échos, deux*fréquences différentes peuvent apparaître en même temps à des instants déterminés.Il convient que le calcul de variance soit fait d'après les valeurs de fréquence d'écho Doppler en fonction du temps de celle des deux directions de réception non dirigées vers la cible dans laquelle aucune ambiguïté n'apparaît. Dans le cas de la Fig. 4, il s'agit de la direction de réception I. Le calcul des fréquences d'écho Doppler selon l'équation (1) et l'établissement de la courbe continue fi = h(t) doivent bien entendu se faire d'après cette direction de réception choisie.

Les Figs. 5 et 6 sont des schémas simplifiés d'une disposition possible des circuits dans le récepteur E pour la mise en oeuvre du procédé décrit d'évaluation de grandeurs d'états inconnues d'une cible avec un rayonnement acoustique.

Le récepteur E comporte un dispositif de formation de faisceau 10 de type connu par lequel trois canaux de réception orientes sont connus, de sorte que le récepteur E n'est sensible que dans trois directions de réception sélectives Q, I, II. Sur.la Fig. 5, et dans la description qui suit, les canaux de réception orientés ou les faisceaux sont appelés des directions de réception sélective 0, I et II. Le canal de réception intermédiaire 0, dit faisceau goniométrique, est dirigé vers la cible S (direction de réception O dirigée vers la cible) et les deux autres canaux de réception I et II (directions de réception I et II non dirigées vers la cible) sont symétriques par rapport au faisceau goniométrique 0.Les signaux de réception des canaux individuels 0, I, II sont traités séparément. A cet effet, chaque canal de réception 0, I, II est connecté à un processeur de transformation de Fourrier rapide 11, à un extracteur de données 12 et à un chercheur de minimum-maximum 13. L'affectation de ces éléments est caractérisée en ajoutant à la référence un chiffre qui est choisi en fonction du canal de réception 0, I, II; par exemple, parmi les éléments qui sont connectés au canal de réception intermédiaire 0, l'extracteur de données 12 est désigné par 120 et le chercheur de minimum-maximum est désigné par 130. Les processeurs 11 à transformation de fourrier rapide évaluent le spectre de valeurs |Sn(f)| des des signaux de réception s(t).

Les spectrogrammes sont fournis chacun à un extracteur de données 12. Ce dernier détermine si une impulsion sonore a été détectée et dans ce cas, il extrait le début et la fin des échos qu'elle a produits, ainsi que leur déroulement dans le temps. Comme résultat, on obtient toutes les valeurs de fréquence Doppler en fonction du temps f n = g(n), comme sont représentées sur les Figs.

3 et 4 toutes les fréquences d'écho Doppler fSC dans le temps t, en commençant à la réception d'écho à l'instant t = 0.

La Fig. 7 représente un mode possible de réalisation d'un extracteur de données 1a. Dans le spectrogramme |Sn(f)| délivré à l'instant n, un chercheur de maximum 14 extrait la fréquence de plus grande amplitude, fréquence d'écho Doppler f . Les fréquences d'écho Doppler f n sont appliquées par un circuit de porte 15 au chercheur 2 de minimum-maximum 13 quand la dl-f lon a n ne dépasse 2 pas une valeur prédéterminée ref. En outre, toutes lesfréquences d'écho Doppler f détectées aux différents
n instants sont écrites dans un registre à décalage 16 à entrée en série et sortie en parallèle.A partir du contenu respectif du registre à décalage 16, et pour chaque instant n, un dispositif de calcul de valeur moyenne 17 etablit la valeur moyenne arithmétique fn. A partir de cette valeur moyenne et de chaque fréquence d'écho Doppler fnt un étage de calculs 18 calcule la diffusion

A cet effet, l'étage de calcul 18 est connecté par son entrée à la sortie du circuit de calcul de valeurs moyennes 17 et à chacune des sorties en parallèle du registre à décalage 16. La sortie de l'étage de calcul 18 est reliée à une entrée d'un comparateur 19 dont l'autre entrée reçoit la valeur de la diffusion maximale 2 tolérée prédéterminée ares.Le comparateur délivre une commande d'ouverture à l'entrée de commande du circuit de porte 15 lorsqu'il détecte que a #n2 est supérieur ou égal 2 à aref. Le processus d'extraction produit pour chaque.

canal orienté 0, I, In,. un groupe de valeurs de fréquences d'écho Doppler en fonction du temps f n = g(n) qui sont représentées par les courbes des Figs. 3 et 4 et qui y sont désignées par 0, I et II.

Les fréquences d'écho Doppler f n extraites sont appliquées au chercheur de minimum-maximum 13 qui délivre la plus basse et la plus haute fréquences d'écho Doppler f et fmax. Le chercheur de minimum-maximum 130 qui est associé avec le canal central O est connecté à un additionneur/diviseur 20 qui calcule la fréquence moyenne d'après l'équation (8). La sortie de l'additionneur/diviseur 20 est connectée à une entrée d'un soustracteur 21 dont l'autre entrée est connectée à l'une des sorties du chercheur de minimum-maximum 130. Le soustracteur 21 calcule la différence entre l'une de la plus grande ou de la plus petite fréquence d'écho Doppler, dite fréquence limite pour l'instant n = O et la fréquence moyenne f .Le soustracteur 21 est connecté à un multiplicateur/diviseur 22 dont l'entrée est également connectée à la sortie de l'additionneur/diviseur 20 qui reçoit la vitesse c du son dans l'eau pour calculer la composante de vitesse radiale vsrad de la vitesse de la cible yS, d'après l'équation (9).

Chaque chercheur de minimum-maximum 131 ou 132 est connecté à un soustracteur 23 ou 24, qui est en outre relié à la sortie de l'additionneur/diviseur 20. Les soustracteurs 23 et 24 calculent à partir de chacune des valeurs extrêmes des fréquences d'écho.Doppler f ex (f max ou foin) le décalage Doppler Af en faisant la différence Af = fmax~fm ou Af = fmin~fm Les décalages
Doppler Af de chacun des canaux sont comparés entre eux dans un comparateur 25 ou 26 qui délivre à sa sortie le plus grand décalage Doppler.Les sorties des deux comparateurs 25 et 26 sont connectées aux deux entrées d'un autre comparateur 27 qui détermine le plus grand Afmax des deux décalages Doppler qui l'a reçu et qui donne en même temps l'indice x de celui des canaux I ou Il dans lequel ce plus grand décalage Doppler hf est apparu. Cet
max indice x qui peut être choisi égal à "1" ou "2" en fonction du canal, constitue un signal de commande pour un sélecteur 28, par exemple un multiplexeur auquel sont appliquées les valeurs des fréquences d'écho Doppler en fonction du temps apparaissant aux sorties des deux extracteurs de données 121, 122.Celles des fréquences d'écho Doppler f n et des valeurs de temps n qui sont obtenues du canal dont l'indice x est appliqué à l'entrée de commande du sélecteur 28 sont transmises à un processeur 29 (Fig. 6) d'évaluation de distance.

La sortie du comparateur 27, à laquelle appa raît le décalage Doppler maximal #fmax est relié à l'une des trois entrees diinuTtîpiàtrÏcfiviseur 30 dont les autres entrées reçoivent d'une part la vitesse du son c et d'autre part la fréquence moyenne m calculée, par une connexion avec l'additionneur/diviseur 20. Le multiplicateur/diviseur 30 calcule la vitesse de la cible
VS par l'équation (10). La-sortie du multiplicateur/ diviseur 30 et la sortie du multiplicateur/diviseur 22 sont reliées à un diviseur 31, connecté à un circuit arc cos 32. Le trajet kS de la cible, calculé d'après l'équation (11) apparaît à la sortie du circuit arc cos 32.Pour tenir compte de la valeur affectée d'un signe de la vitesse de la cible vS et du canal de réception choisi, le circuit arc cos 32 est connecté à un addition neur 33 qui-, par ailleurs, est connecté à la sortie d'un circuit de.calcul 34. Le circuit de calcul 34 reçoit l'indice x déterminé par le cornparateur 27 et le signe du décalage Doppler maximal #fmax provenant de la sortie du multiplicateur/diviseur 30. Le circuit de calcul 34 calcule le second terme de l'équation (12) qui est addi tionné dans l'additionneur 33 avec la valeur de sortie du circuit arc cos 32. A la sortie de l'additionneur 33, la valeur absolue du trajet kS selon l'équation (12) par rapport à la ligne directe entre le récepteur E et la cible S peut être prélevée.

Le processeur 29 d'évaluation de distance comporte un calculateur 35 de courbe continue, un calculateur de variance 36, une mémoire 37 sous la forme dsun registre à decalage avec une entrée en série et des sorties en parallèle et un détecteur de minimum 38. Le calculateur de courbe 35 reçoit toutes les grandeurs d'états déterminées, comme la fréquence moyenne fm, la vitesse de la cible ost le trajet de la cible kS ainsi que l'angle a entre les directions de réception dirigées vers la.cible et nondiri- gées vers la cible O et I ou Il, et la vitesse du son dans l'eau c.En outre, le calculateur de courbe 35 reçoit les valeurs d'évaluation choisies arbitrairement mais en rapport avec la réalité, Rj de la distance de la cible, qui sont modifiées par gradins j=1 à k. En outre, le calcula teur de courbe 35 reçoit les valeurs de temps n de la direction choisie de réception non dirigée vers la cible
I ou Il, produite par le sélecteur 28. Le calculateur de courbe 35 calcule maintenant pour la trame temporelle n et pour chaque valeur d'évaluation R. le déroulement 3 des fréquences d'écho Doppler fj d'après l'équation (1).

Le résultat est fourni au calculateur de variance 36 qui reçoit en outre les fréquences d'écho Doppler fn obtenues pas les échos dans le canal choisi de réception I ou II non dirigées vers la cible. Le calculateur de variance 36 calcule la variance de toutes les courbes continues f. = h(n, R.) par rapport aux fréquences d'écho Doppler 3 3 f n d'après l'équation

2
Les variances -(Rj) pour les diverses valeurs
3 d'évaluation R. sont mémorisées dans la mémoire 37.A
3 partir du contenu de la mémoire, le détecteur de minimum 38 détermine la variance minimale et délivre la valeur d'évaluation correspondante Rmin comme distance déterminée de la cible R. La lettre x placée en exposant à gauche dans les équations.de la Fig. 6 sert uniquement d'indice pour celui des deux canaux de réception non dirigés vers la cible I ou II dans lequel apparaît le plus grand décalage Doppler Afmax et dont les valeurs de fréquence d'écho
Doppler par rapport au temps f = g(n) servent au calcul de variance.

La Fig. 8 est un schéma simplifié illustrant un procédé similaire pour évaluer des valeurs d'états d'une cible et qui diffère en ce sens qu'au moyen d'un traitement de signaux, des échos sont reçus non seulement de trois directions de réception sélective, mais d'un grand nombre de ces directions décalées en azimuts les unes par rapport aux autres d'un même angle, à savoir un éventail de faisceaux 40. Parmi les directions de réception, l'une dite vaisseau goniométrique 41 est orientée vers la cible
De préférence, le faisceau goniometrique 41 se trouve au milieu de l'éventail 40. La formation proprement dite des faisceaux se fait dans le dispositif 42 d'établissement de signaux par un traitement correspondant des signaux de sortie des éléments individuels d'une antenne de réception 43 connectée au dispositif 42.Le dispositif 42 exécute également une analyse des fréquences des signaux d'écho reçus dans les faisceaux individuels et une compensation d'effet Doppler propre du récepteur E en mouvement. Les groupes de données des fréquences d'écho Doppler fscit compensées en effet
Doppler propre, et obtenues à partir des faisceaux individuels sont fournis à un calculateur 44 en coordination avec la direction de réception ai et le temps t..

i temps
Le calculateur 44 calcule d'une part les fréquences d'écho Doppler f. en fonction de la direction de réception αi et du temps ti, d'après :

avec
R R (17)
Rict .

et il forme d'autre part selon le procédé d'évaluation par la loi du moindre carré moyen, la différence quadratique moyenne entre les fréquences d'écho Doppler appliquées fsci et les fréquences d'écho Doppler f. calculées par la direction de réception et le temps. Les paramètres donnés préalablement comme des valeurs fictives des grandeurs d'états fm v81 kS et R obtenues par le premier calcul des fréquences d'écho Doppler f. sont ainsi modifiés de façon itérative jusqu'à ce que la différence soit minimale.

Les paramètres trouvés pour le maximum sont délivrés comme les grandeurs d'états recherchées.

Un avantage est donc qu'il est possible de prédéterminer exactement les valeurs de départ des paramètres dans le procédé d'évaluation. A cet effet, un autre calculateur 45 est également connecté avec le dispositif 42 pour déterminer le vectéur de vitesse de la cible à partir des groupes de données disponibles sur les fréquences d'écho Doppler fSci compensées en effet
Doppler propre. Dans ce but, pour un instant déterminé tl, les fréquences d'écho Doppler fsci sont lues dans les groupes de données de tous les faisceaux ou des directions de réception. La plus grande et la plus petite fréquences d'écho Doppler f max et f min en sont éliminées.

La calculateur 45 calcule donc maintenant la fréquence d'émission fm d'après
l
fm = 2 (fmax+ fmin) (18) et la vitesse de la cible vS d'a près

En outre, dans le calculateur 45, la fréquence
Doppler fD de l'impulsion sonore reçue dans le faisceau goniométrique 41, par conséquent la fréquence Doppler du signal direct de l'impulsion sonore est lue et le trajet de la cible kS est calculé d'après

Le vecteur de vitesse v de la cible obtenue par le trajet kS et la vitesse vS de la cible, ainsi que sa fréquence d'émission fm sont fournis au calculateur 44 comme des valeurs de départ pour les opérations d'évaluation.

En outre, dans le calculateur 45, une valeur de départ du paramètre de distance R de la cible peut être calculée. A cet effet, le calculateur 45 lit dans les groupes de données disponibles pour une direction de réception α1, une fréquence d'écho Doppler fSCi et l'instant t1 de sa réception, calculés à partir de l'arrivée du signal direct dans le faisceau goniométrique 41 et il calcule d'après les équations (15) et (17) en utilisant les grandeurs d'états vS, kS, fm déterminées en utilisant les équations (18) à (20) la distance de la cible R, qui est alors fournie au calculateur 44 comme valeur de depart.

S'il existe plus d'une impulsions sonore de l'émetteur de la cible pour l'évaluation, les valeurs d'états de distance de cible R peuvent encore être évaluées d'une autre manière. Au moyen du faisceau goniométrique 41, le relèvement de la cible S est établi continuellement, par rapport à une direction de référence, par exemple nord, et maintenu comme unefonction du temps.

Les valeurs d'angle de relèvement di en fonction du temps t sont fournies à un calculateur 46. Ce dernier élimine des valeurs de mesure le mouvement propre du récepteur E et détermine, à partir des valeurs de mesure compensées, les variations dans le temps de l'angle de relèvement hg/t. De plus, le calculateur 46 calcule la variation dans le temps de l'angle de relèvement A t, en mesure d'arc ou d'angle, d'après
## vS
= # sin kS (21)
#t R ou

Les valeurs vS et k sont fournies par le calculateur 45 au calculateur 46. Pendant ce temps, la grandeur d'états inconnue R est délivrée comme une valeur fictive.Selon un procédé d'évaluation par le moindre carré moyen, la valeur de paramètre indiquée est modifiée de façon itérative jusqu'à ce que la différence quadratique moyenne entre les variations calculées et mesurées de l'angle de relèvement soient minimales. La valeur de paramètre correspondante de la distance R est délivrée comme une grandeur d'états de distance de la cible R.

Avec l'emplacement connu du récepteur et la direction de relèvement connue 41, la distance de la cible R est une mesure directe de la position de la cible.

Dans le procédé d'évaluation ci-dessus, la valeur du paramètre R déterminée de la manière décrite ci-dessus, provenant du calculateur 45, peut aussi autre fournie comme une valeur de départ, de manière à réduire considérablement la masse des calculs nécessaires.

Etant donné que la valeur de la distance de la cible R est maintenant déterminée par deux moyens sépares, il suffit pour améliorer les résultats d'évaluation, d'effectuer un calcul de compensation d'erreur entre les deux résultats.

Au lieu de 11 estimation par le moindre carré moyen mentionné ci-dessus, d'autres procédés appropriés d'évaluation peuvent être utilisés, par exemple -le procédé d'évaluation par la probabilité maximale. Chacune des valeurs des paramètres qui répondent aux critères d'évaluation, sont délivrées comme les grandeurs d'états recherchées de la cible S. Le procédé d'évaluation peut etre appliqué aussi bien de façon unidimensionnelle que de façon bidimensionnelle. Dans le premier cas, les fréquences d'écho Doppler fSCi sont calculées en fonction de la direction de réception ai pour un instant t1 prédéterminé et sont comparées avec les fréquences d'écho
Doppler fSci mesurées à l'instant tl en fonction de la direction de réception ai. Dans le second cas, les fré quences d'écho Doppler fi en fonction du temps t. et de
i I la direction de réception ai sont calculées, et sont comparées avec les fréquences d'écho Doppler f8Ci mesurées correspondantes.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit de mise en oeuvre du procédé. Si l'on se contente de l'évaluation des grandeurs d'états de vitesse, de trajet et de fréquence d'émission de l'émetteur de la cible et si l'on se limite à la localisation de la cible à partir d'un récepteur immobile ou quasi-immobile, il est possible d'éliminer les circuits électriques de formation de faisceaux destinés à produire des faisceaux de réception aussi étroits que possible, ou une caractéristique de réception de haute définition en azimuts du récepteur.Bien entendu, cela élimine également la nécessité d'une compensation d'effet Doppler propre du récepteur car les fréquences d'écho Doppler détectées par un récepteur immobile correspondent directement aux fréquences fsci rayonnées par les centres de diffusion SCIEZ Dans ce casderéception non orientée des échos, il est également possible de déterminer dans les signaux d'écho les fréquences d'écho Doppler extrêmes f max et fmin et la fréquence Doppler de l'impulsion émise fD et, à partir de là, comme cela a déjà été décrit, les valeurs de vitesse vs, de trajet k8 et de fréquence d'émission fm de la cible sont déterminées. Bien entendu, la distance R de la cible ne peut être déterminée que si plusieurs impulsions sont reçues de l'émetteur de la cible. Comme cela a déjà été expliqué, cette distance est déterminée de façon itérative par un procédé approprié d'évaluation par des variations calculées et mesurées dans le temps de l'angle de relèvement, dans lesquelles les valeurs de vitesse vS et de trajet k8 de la cible déjà calculées sont posées comme des valeurs de départ.

Claims (27)

REVENDICATIONS

1. Procédé passif d'évaluation de grandeurs d'états comme par exemple la distance, la vitesse, le trajet ou éventuellement la fréquence d'émission d'une cible en mouvement, rayonnant des impulsions sonores dans l'eau, comme un navire, une torpille similaire avec un sonar actif, à partir d'un récepteur éloigné de la cible, procédé caractérisé en ce que des fréquences

Doppler (fSCi) apparaissant dans des échos sont détectées et que, au moyen des fréquences d'échos Doppler (fSCi) les grandeurs d'états (R, vs, k8, f ) de la cible S sont déterminées.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fréquences d'échos Doppler (fSCi) sont obtenues à partir des spectres de fréquences des echos.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fréquences d'échos Doppler maximale et minimale (fmax, fmin) apparaissant dans les échos sont extraiteset en ce que la fréquence d'émission (fm) des grandeurs d'etats est déterminee.corr.e une moyenne .arithmétique des fréquences d'échos Doppler maximale et minimale (fmax, fmin).

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la grandeur d'état de vitesse de la cible (vs) est déterminée comme le quotient de la différence des fréquences d'échos Doppler maximale et minimale (fmax' fmin) par le double de la fréquence d'émission (fm) r multiplié par la vitesse du son dans l'eau (c).

5. -Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence Doppler (fD) de l'impulsion émise est éliminée et que la grandeur d'état du trajet de la cible (ks) est déterminée comme l'arc-cosinus du quotient de la différence entre la fréquence Doppler (fD) et la fréquence d'émission (fm) d'une part et la moitié de la différence entre les fréquences d'échos Doppler maximale et minimale (fmax fmin) d'autre part.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les échos sont reçus sélectivement en direction et que la fréquence

Doppler (fD) de l'impulsion émise est obtenue a partir du signal direct de l'impulsion émise reçue dans une direction de réception sélective dirigée vers la cible, ou direction goniométrique (41), tandis que les fréquences extrêmes d'échos Doppler r fmin) sont obtenues à partir de signaux d'echos reçus dans deux directions de réception sélective, non dirigées vers la cible et situées de chaque côté de la direction goniométrique (41).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les échos sont reçus dans un grand nombre de directions de réception sélective décalées en azimut les unes par rapport aux autres d'un certain angle, dont l'une est orientée vers la cible, que la fréquence Doppler (fD) de l'impulsion émise est obtenue à partir des signaux d'échos reçus dans la direction de réception sélective dirigee vers la cible, ou direction goniométrique (41) et que les fréquences d'échos Doppler extrêmes (fmaxt fmin) Sont lues parmi les fréquences d'échos Doppler (fsci) des signaux d'échos reçus dans les directions de réception non dirigées vers la cible a un instant prédéterminé (ti) après l'arrivée au récepteur du signal direct de l'impulsion sonore dans la direction goniométrique (41).

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une fréquence d'échos Doppler (fil) sélectionnée au moyen des grandeurs d'états de fréquence d'emission (fu), de vitesse (vs) et de trajet (ks) de la cible (S) est calculée d'apres

où C)estchdislarbitrairement et en ce que, dans une direction de réception (a1) non dirigé vers la cible, la durée (tl) depuis l'arrivée du signal direct dans la direction goniométrique (41) jusqu'à la détection de la fréquence d'échos Doppler sélectionnée (fl) est mesurée et la grandeur d'états de distance (R) est calculée à partir de la durée mesurée (tl) selon

avec

R R+c.tl

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que pour au moins un instant prédéterminé (tl) après la réception du signal direct de l'impulsion sonore arrivant dans la direction goniométrique (41), les fréquences d'échos Doppler (fi) pour un grandnombre de directions de réception sélective (ai) non dirigées vers la cible, décalées en azimuts les unes par rapport aux autres d'un certain angle sont calculées.

R+c.t1 les paramètres constituant les grandeurs d'états inconnues (R, VSZ k8, m étant donnés préalablement comme des valeurs fictives, en ce que, selon un procédé d'évaluation approprié, comme par exemple une estimation par le moindre carré moyen, les valeurs des paramètres sont modifiées de façon itérative jusqu'à ce qu'un critère d'évaluation soit satisfait, par exemple un minimum de la différence quadratique moyenne entre les fréquences d'échos Doppler calculées (fi) et les fréquences d'échos Doppler détectées (fSci) associées avec cet instant dans les directions de réception (ai) et en ce que les valeurs du paramètre satisfaisant ce critère d'évaluatin sont délivrées comme les grandeurs d'états recherchées (R, vSI fm).

R

avec

d'après

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le calcul des fréquences d'échos Doppler (f.) est effectué pour un grand nombre d'instants (ti) calcules à partir de l'arrivée du signal direct de l'impulsion sonore provenant de la direction goniométrique (41) et que le procédé d'évaluation est appliqué comme un procédé d'évaluation bidimensionnel pour les fréquences d'échos

Doppler calculées (f = g(t.,

11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que pour fournir les valeurs fictives pour les paramètres, les grandeurs d'états déterminées (R, vs, kS' m sont posées en moins en partie comme des valeurs de départ.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisé en ce qu'un relèvement passif continu de l'émetteur (S) esteffectué à partir du récepteur (E) et. lès variations dans le temps du relèvement i6) sont mesurées après une compensation d'un mouvement propre éventuel du récepteur (E), en ce qu'une variation dans le temps (E t) selon

Ad = VS . sin k

b R R est calculée en utilisant les grandeurs d'états déterminées de vitesse (vS) et de trajet (ks) de la cible, la grandeur inconnue de distance de la cible (R) étant donnée comme une valeur de paramètre fictif qui est modifiée de façon itérative selon un procédé approprié d'évaluation des valeurs de paramètre jusqu'à ce qu'un critère d'évaluation soit satisfait, et en ce que la valeur de paramètre satisfaisant le critère d'évaluation est délivrée comme une grandeur d'états de distance de la cible (R).

13. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fréquences d'échos Doppler (fSCi) sont déterminées dans au moins une direction de réception sélective non dirigée vers la cible pour un grand nombre de points d'une trame temporelle (tri) se déroulant à partir d'une réception d'écho, en ce qu'indépendamment de cette direction de réception (I ou II) les fréquences d'échos Doppler (fi) pour la même trame temporelle (ti) sont calculées sous forme d'une courbe continue (f. = h (ti, R, v8, k8, fm))' les grandeurs d'états inconnues (R, vS, kS, fm) de la cible formant des paramètres qui sont donnés comme des valeurs d'évaluation, en ce que les valeurs d'évaluation pour au moins un paramètre sont modifiées et pour chaque valeur d'évaluation une courbe continue est établie, en ce que la variance (,2) entre chacune des courbes continues et les valeurs de fréquence d'échos Doppler en fonction du temps (fSCi = g(t)) obtenues à partir des échos sont calculées et que celles des valeurs d'évaluation des paramètres d'une courbe continue pour lesquelles la variance (#) est minimale sont délivrées comme des grandeurs d'états de la cible (S).

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les échos arrivent simultanément sur une direction de réception sélective < O) dirigée vers la cible, les fréquences d'échos Doppler (fSCi) étant déterminées pour une trame temporelle (ti) se déroulant à partir de l'arrivée au récepteur de l'impulsion émise, ou signal direct, et en ce que la plus grande et la plus petite fréquences d'échos Doppler (fex(+O)' f(-0)) sont détectees, dont la demi-somme est donnée comme fréquence d'émission (f ) de la cible (S).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la composante radiale de vitesse (vsrad) de la cible (S) est calculée comme un produit de la différence entre la plus grande ou la plus petite fréquence d'échos

Doppler (fex (+0), ou fex(-0)) et la fréquence d'émission (fm) par le quotient de la vitesse du son dans l'eau (c) par la fréquence d'émission

16.Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la fréquence d'échos Doppler maximale, ou minimale, ou les deux (fmax, fmin) est déterminée à partir des valeurs de fréquence d'échos Doppler en fonction du temps (5SCi = g(t)) obtenues à partir des échos dans la direction de réception (I ou II) non dirigées vers la cible et qu'à partir de cette fréquence et de la fréquence d'émission (fm) la vitesse (vs) de la cible (S) est calculée comme un produit du décalage Doppler maximal AmaX) par le quotient de la vitesse du son dans l'eau (c) et de la fréquence d'émission

17.Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le trajet (ks) de la cible par rapport à la direction de réception (0) dirigée vers la cible est calculée comme l'arc-cosinus du quotient de la composante radiale de vitesse de la cible (vsrad) par la vitesse de la cible (oS)

18.Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que la determination de la fréquence d'échos Doppler (fSCi) est faite en fonction du temps (ti) dans une autre direction de réception sélective (II ou I) non dirigée vers la cible, décalée par rapport à la première direction de réception (I ou II) d'un angle fixe prédéterminé, de préférence de-manière que les deux directions de réception non dirigées vers la cible (I, II) soient symétriques par rapport à la direction de réception O dirigée vers la cible.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la fréquence d'écho Doppler maximale, ou mini malte, ou les deux (f fmin) est déterminée dans l'autre direction de réception non dirigée vers la cible (Il ou I), en ce qu'avec les fréquences d'échos Doppler maximales, ou minimales, ou les deux (fmax, fmin) dans les deux direc tions de réception non dirigées vers la cible (I, II), le décalage Doppler maximal (Afmax) est déterminé et avec ce dernier, le calcul de la vitesse (vs) et du trajet (ks) de la cible (S) est effectué.

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le calcul de variance est effectué par rapport aux valeurs de fréquence d'échos Doppler en fonction du temps (fSCi = g(t))à partir de celle des deux directions de réception (I, II) non dirigée vers la cible dans laquelle le décalage Doppler maximal (Afmax) est établi.

21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'à l'apparition de plusieurs décalages Doppler maximals identiques, la direction de réception (I ou II) est choisie dans laquelle le décalage Doppler maximal (Afmax) est associé avec le temps le plus petit (ti).

22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 21, caractérisé en ce que les valeurs calculées pour la fréquence d'émission (fm), le trajet (kS) et la vitesse (vS) de la cible (S) sont posées comme des grandeurs d'évaluation pour le calcul de la courbe conti nue (fi = h (ti, R, vS, kS, fm)) et seulement la distance (R) constitue un paramètre.

23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que le calcul des courbes continues avec les grandeurs d'états de distance de la cible obtenues(R)comme valeur d'évaluation et avec au moins l'une des autres valeurs d'états (kS, VS, fm) comme paramètre est répétée avec différentes grandeurs d'évaluation, en ce que d'une manière similaire le calcul de variance et l'estimation du minimum de variance sont effectués et en ce que, avec les valeurs ainsi calculées des grandeurs d'états (k8, vS, fm) de la cible (S) les opérations précédentes sont répétées avec au moins une autre grandeur d'états (k8, vSt f ) comme paramètre jusqu'à ce que la variation de chacune des grandeurs d'états données (k8, VS fm) ne dépassent plus une valeur prédéterminée.

24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 23, caractérisée en ce que le point zéro de la trame temporelle dans les directions de réception (I, II) non dirigées vers la cible est déterminée par l'instant d'arrivée du signal direct de l'impulsion sonore dans la direction de réception dirigée vers la cible.

25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'à l'apparition d'un décalage dans le temps entre la détection d'échos dans les deux directions de réception non dirigées vers la cible, une cible (S) avec un faisceau d'émission tournant est détectée et le décalage dans le temps est déterminé comme le temps de rotation (TUM) du faisceau d'émission.

26. Procédé selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce qu'à l'apparition d'un décalage dans le temps de la réception d'échos dans la direction de réception (O) dirigée vers la cible, par rapport au point zéro de la trame temporelle, une cible (S) avec un faisceau d'émission tournant est détectée et le double du décalage dans le temps est déterminé comme durée de rotation (TUM) du faisceau d'émission.

27. Procédé selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce que le calcul de variance est effectué par rapport aux valeurs de fréquence d'échos Doppler en fonction du temps (fSCi g(t)) de celle des deux directions de réception non dirigée vers la cible (I ou II) dans laquelle n'apparaît aucune ambigüité de fréquence d'échos

Doppler (Si)'