FR2617647A1 - Dispositif de commande de mise en forme de faisceau pour antenne reseau a transducteurs multiples - Google Patents

Abstract

Le dispositif comprend un circuit à retard engendrant un signal de commande de retard ou de déphasage pour chaque transducteur. Chaque circuit à retard comprend un premier circuit numérique 7 qui reçoit un ou une paire de signaux représentant la direction d'une cible par rapport à un point de référence prédéterminé et qui, en réponse, délivre un premier signal fonction de l'angle inclus entre les lignes joignant, d'une part, le point de référence au transducteur correspondant et, d'autre part, le point de référence à la cible. Un second circuit numérique 8 communique avec le premier circuit numérique pour recevoir le premier signal et reçoit un second signal qui représente la distance de la cible au point de référence et qui, en réponse, délivre un signal de sortie correspondant au signal de commande. Les circuits numériques sont des tables de consultation. Une méthode de commande de mise en forme est également décrite.

Description

i 2617647

La présente invention concerne des antennes orientées électroni-

quement telles que celles qui sont utilisées dans les systèmes sonar et radar, et plus particulièrement un système de mise en forme de faisceau d'antenne destiné a être utilisé dans une antenne réseau à transducteurs multiples. Un signal reçu d'une source déterminée a un front d'onde sphérique qui est reçu à des instants différents par les divers transducteurs d'une antenne à transducteurs multiples. Pour corréler les fronts d'onde reçus par chaque transducteur, les signaux reçus par ceuxci, doivent être déphasés ou retardés. Les signaux retardés sont alors additionnés pour former un signal de sortie. Le retard ou le déphasage appliqué à chaque transducteur est un paramètre qui est

directement fonction de la distance radiale de la source au trans-

ducteur. L'antenne peut être orientée vers tous points dans le champ

objet en changeant les retards appliqués aux signaux dans les trans-

ducteurs. La réalisation d'un système pratique de mise en forme de faisceau utilisant des retards appliqués aux signaux reçus dans les transducteurs et en ajoutant les résultats s'est révélée poser un problème délicat. Une des principales difficultées résulte du manque de moyen satisfaisant pour retarder individuellement les signaux des transducteurs de quantités précises etréglables. Il y a deux aspects à ce problème: le circuit à retard et le dispositif de commande du retard. La présente invention concerne ce dernier. Le dispositif de commande de retard est la partie du système de mise en forme du faisceau qui détermine et contr8le la quantité exacte de retard à introduire dans chaque transducteur afin d'orienter le faisceau vers

un point déterminé du champ objet.

On a déjà essayé ou proposé de nombreux systèmes de retard électroniques comprenant des lignes à retard analogiques et des registres à décalage analogiques à CCD précemment on a utilisé des circuits de stockage numériques, tels que des mémoires à accès aléatoire à semiconducteurs, comme élément de retard, étant donné le grand nombre d'échantillons qu'elles peuvent conserver et la très fine résolution de retard que l'on peut donc obtenir. Cependant, quel que soit le système de retard utilisé, le problème demeure de déterminer la quantité correcte de retard à introduire dans chaque

8 2617647

comme le montrent les courbes 5.

Il apparaît clairement que chaque front est intercepté par les transducteurs 2E et 2D avant de l'être par le transducteur 2C qui

lui-même intercepte le front plus t8t que les transducteurs 2B et 2A.

Afin de corréler les signaux de tous les transducteurs, les signaux des transducteurs proches de la cible doivent être retardés de temps égaux au temps de trajet du même front pour atteindre le transducteur le plus éloigné de la cible. Le temps de trajet de la cible à un des transducteurs est égal à la distance de la cible à ce transducteur, divisée par la vitesse de propagation dans le milieu. Les retards nécessaires peuvent donc être exprimés en termes de géométrie de réseau et de champ objet. A la Fig. 1, le retard pour le transducteur 2C est défini par l'expression: retard = (rmax - r)/c o rma est une distance de référence égale ou supérieure à la max distance entre la cible et le transducteur le plus éloigné dans le réseau, r est la distance entre la cible et le transducteur 2C, et c est la vitesse de propagation du signal reçu dans le milieu

qu'il traverse.

La simplicité de cette expression est trompeuse car, en géné-

ral, r n'est pas connu explicitement, mais doit être calaulé ou déterminé d'une autre façon pour chaque transducteur à partir d'un transducteur connu et des coordonnées-de la cible chaque fois qu'une nouvelle cible est choisie. De plus, bien que l'exemple illustré soit à deux dimensions, les champs objets sont souvent à trois dimensions et peuvent contenir des milliers de points cibles à calculer. Le temps nécessaire pour faire ces calculs est particulièrement critique en poursuite, en exploration et dans des applications vidéo en temps réel, qui nécessitent de pouvoir changer les retards d'orientation

très rapidement et fréquemment.

Comme on l'a mentionné ci-dessus, une façon de résoudre le problème cidessus consiste à prévoir une commande de retard de transducteur pour chaque transducteur, comprenant une mémoire qui

contient une table de consultation pour le retard pour chaque posi-

tion élémentaire dans l'espace objet à trois dimensions afin de translater le signal de chaque transducteur. Ainsi, pour un champ objet de 128 pixels par 128 lignes et 64 distances différentes, la

table de chaque détecteur devrait contenir 1 048 576 entrées.

Au contraire, suivant la présente invention, on utilise un circuit de co. mmande de retard pour chaque détecteur, comme le montre la Fig. 2. Suivant l'invention, on utilise une paire de tables de consultation 7 et 8. Un signal d'adresse à m bits est appliqué aux m lignes d'adresse 9 de la table 7, cette adresse représentant la direction du faisceau pour le transducteur associé. Le signal de sortie résultant délivré sur les n lignes de sorties 10 de la table 7 est appliqué aux n lignes d'adresse de la table 8. Simultanément, un signal de distance composé de x-n bits est appliqué aux x-n lignes d'adresse 11 de la table 8. Le signal de sortie résultant à y bits (y étant inférieur à x) est délivré par la table 8 sur y lignes 12 et représente le retard à appliquer au signal reçu par le réseau détecteur associé avant de l'ajouter aux signaux provenant des autres réseaux (ou, réciproquement, à appliquer au signal à émettre par le

transducteur avant de le lui appliquer).

Le signal d'entrée sur les lignes 9 représente la direction du faisceau. Dans l'exemple à deux dimensions de la Fig. 1, cette direction pourrait être définie par un seul paramètre, soit, par exemple, l'angle (par rapport à l'horizontale) de la ligne entre la cible 4 et le point de référence 3. Dans le cas général à trois

dimensions, deux coordonnées, azimut et site par exemple, sont néces-

saire pour définir sans ambiguïté la direction du faisceau.

Dans un exemple, le signal d'entrée d'azimut de la table 7

pourrait être formé d'un mot de 7 bits. L'entrée de site correspondan-

te serait de même formée d'un mot de 7 bits. Ainsi, l'adresse de la table 7 comporterait 14 bits. Le mot de sortie de-la table 7, qui est fonction de l'angle A pourrait être défini par 8 bits, par exemple,

soit une écart de six bits ou un facteur de 64.

Le mot de sortie est appliqué à la table 8, comme partie de

l'adresse de celle-ci. Le reste de l'adresse, représentant la distan-

ce de la cible, est appliqué aux lignes 11. Le mot représentant la distance serait, en pratique, un mot de 6 bits. Donc, l'adresse de la

table 8 serait aussiun mot de 14 bits.

Les données de commande de retard mémorisées dans la table 8 et ainsi adressées sont délivrées sur les lignes 12 sous la forme d'un mot de 8 bits, par exemple, soit avec réduction sensible de la

2 2617647

cas. Les retards nécessaires sont fonction des distances entre chaque transducteur et chaque point du champ objet. Dans le cas général d'un réseau de transducteur à trois dimensions avec des positions de transducteurs arbitraires, mais connues, et un champ objet à trois dimensions, la détermination des valeurs de retard entraîne un grand

nombre de calculs de difficulté moyenne.

Ce problème est généralement minimisé en simplifiant la géomé-

trie du réseau de manière que la symétrie et/ou la récurrence dans

les positions des détecteurs introduisent un grand degré de redon-

dance dans les calculs des retards. L'exemple le plus évident de géométrie simplifiée est le réseau linéaire dont les éléments sont à des distances égales les uns des autres. Il y a deux inconvénients importants à simplifier la géométrie du réseau: les positions des

éléments transducteurs doivent être un compromis entre les contrain-

tes de conception du dispositif de mise en forme du faisceau et des considérations sur les performances de l'antenne, et il en résulte

qu'inévitablement les performances en souffrent. De plus, le disposi-

tif de mise en forme du faisceau ne peut être utilisé qu'avec des réseaux de géométrie déterminée pour laquelle le dispositif a été

prévu.

Une autre méthode courante utilisée pour augmenter le degré de redondance dans les calculs de retards consiste à supposer que tous les signaux intéressants trouvent leurs origines suffisamment loin du réseau détecteur pour que les fronts d'onde soient pratiquement plans au passage de l'ouverture du réseau. L'inconvénient de cette approche est que l'antenne ne peut focaliser et est ainsi limitée aux cibles du champ lointain. Bien que n'étant pas une limitation importante

pour les sonars de bas de gamme à petite ouverture, cette impossibili-

té de focaliser sur des cibles du champ proche est inacceptable dans

les applications de haut de gamme à grande ouverture.

Les redondances introduites en combinant une géométrie de ré-

seau simplifiée et l'approximation du champ lointain peut réduire considérablement la quantité et la complexité des calculs. Potur quelques géométries très simples, comme. celle du réseau linéaire à

transducteurs équidistants, les contraintes de calcul sont négligable.

Une autre approche du problème de la détermination des valeurs de retards, sans simplifier la géométrie, ni limiter l'ouverture,

3 2617647

consiste à employer un ordinateur. Les signaux des détecteurs sont numérisés et chargés dans la mémoire de l'ordinateur o l'opération de mise en forme du faisceau est entièrement effectuée en logiciel, généralement. dans le domaine fréquenciel en utilisant la technique des transformées de Fourier. Bien qu'offrant une souplesse sans - pareille, cette approche est inacceptable par sa lenteur dans des

applications en temps réel de mise en forme de faisceau.

On peut calculer à l'avance les valeurs de retards pour chaque transducteur et pour tous les points possibles du champ objet et mémoriser les résultats dans des tables de consultation, une par transducteur, et prévoir des moyens pour avoir accès très rapidement à ces tables quand cela est nécessaire. Cette approche combine la souplesse de l'ordinateur avec la vitesse du dispositif de mise en forme de faisceau à structure définie, mais présente l'inconvénient qu'un champ objet à trois dimensions exige, pour une résolution spatiale acceptable, des tables de consultation de capacité beaucoup trop grandes. Ainsi, par exemple, pour avoir un système d'image acoustique avec un champ objet de 128 pixels par 128 lignes et la possibilité de focaliser à 64 distances différentes, la table de

consultation pour chaque transducteur contiendrait 1 048 576 mots.

Visiblement, les contraintes de mémoire pour ces systèmes numériques

sont extrêmement grandes.

Un exemple de dispositif de mise en forme de faisceau utilisant des valeurs de retard précalculés emmagasinées dans des tables de consultation est décrit dans l'article de Petersen et Kino intitulé

"Real-time Digital Image Reconstruction: A Description of Imaging

Hardware and an Analysis of Quantization Errors" (Reconstruction

d'image numérique en temps réel: description de matériels de mise en

image et analyse d'erreurs de quantification), paru dans la revue technique IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, volume SV-31, nO 4, juillet 1984, pages 337 à 351. Dans ce dispositif, les valeurs de retard sont emmagasinées dans une table de consultation à grande

vitesse appelée "table de focalisation".

Dans ces exemples et dans tous les autres exemples connus de conception de dispositif de mise en forme de faisceaux utilisant des

valeurs de retard précalculées emmagasinées dans des tables de consul-

tation numériques, le géométrie du réseau est simplifiée pour tenir compte de la symétrie et de la récurrence. La redondance ainsi introduite dans les calculs de retards réduit la taille de la table

4 2617647

de consultation dans des proportions considérables. On ne connaît aucun exemple antérieur de dispositif de mise en forme de faisceau utilisant des valeurs de retard précalculées et mémorisées prévu pour

un réseau de transcducteurs à trois dimensions de géométrie arbi-

traire afin de donner l'image d'un champ objet à trois dimensions

avec une grande résolution.

La présente invention concerne un dispositif de mise en forme de faisceau qui utilise une information précalculée d'orientation de faisceau emmagasinée dans des tables de consultation numériques pour commander les retards temporels introduits dans chaque transducteur d'un réseau à trois dimensions de géométrie arbitraire, mais connue, afin de donner l'image d'un champ objet à trois dimensions avec une grande résolution spatiale et une grande vitesse (fonctionnant en temps réel), utilisant une mémoire relativement réduite par rapport à celle qui était nécessaire dans la technique antérieure. Pour le cas d'un champ image de 128 pixels par 128 lignes, focalisant à 64 distances différentes, l'appareil de l'invention ne nécessite que deux mémoires de 16 384 mots chacune, au lieu de plus de 1 000 000 de mots numériques de retard qu'il fallait antérieurement pour chaque transducteur. Cela représente nettement une réduction très sensible de mémoire par rapport au système de l'état de la technique. Dans un système qui va être décrit ci-dessous, on a trouvé que, suivant le cycle de travail (nombre de cycles de lecture par cycle d'écriture), des taux de sortie de faisceau atteignant 10 000 000 par seconde

peuvent être facilement obtenus.

Suivant l'invention, l'opération de consultation est divisée de manière que la table de consultation beaucoup très grande, qu'il fallait auparavant par transducteur puisse être remplacée par deux tables de consultation beaucoup plus petites montées en cascade, entraînant ainsi une réduction nettement sensible de la capacité

totale de mémoire à prévoir par transducteur.

L'idée de cette division est basée sur le principe suivant: le positionnement d'un point quelconque dans l'espace objet à trois dimensions peut être complètement défini par deux coordonnées en direction et une variable en distance. Plus particulièrement, chaque point cible peut être défini par sa distance (la distance de la

2 6 72617647

cible) à un point de référence et par sa direction (deux coor-

données) d'une ligne allant du point de référence à la cible.

Cependant, on peut montré que le retard orientant le faisceau et nécessaire pour un transducteur particulier n'est fonction que de la distance de la cible et de l'angle entre les lignes joignant le point de référence prédéterminé d'une part au transducteur concerné et d'autre part à la cible, et est indépendant de la direction réelle de la cible. Ainsi, les deux coordonnées de direction de chaque point objet peuvent être remplacées par un seul paramètre (pour chaque

transducteur): l'angle entre les lignes joignant le point de référen-

ce prédéterminé au transducteur concerné et à la cible. Cet angle, qui est en général unique pour chaque transducteur et chaque point cible, est suffisant pour déterminer le retard nécessaire pour toute

valeur donnée de la distance de la cible.

Ainsi, suivant la présente invention, la première table de consultation de chaque transducteur convertit les deux coordonnées de direction de la cible en une représentation de l'angle entre des lignes joignant le point de référence prédéterminé au transudcteur concerné et à la cible, et la seconde table de consultation, pour chaque transducteur, convertit la valeur numérique délivrée par la première table de consultation du transducteur concerné, avec la

distance de la cible, en un signal de commande de retard numérique.

Suivant l'invention, il est prévu un dispositif de commande de

mise en forme de faisceau pour antenne réseau à transducteurs multi-

ples comprenant un circuit à retard-engendrant un signal de commande de retard ou de déphasage pour le signal reçu de (ou transmis à) chaque transducteur. Chaque circuit à retard comprend une paire de tables de consultation dont la première reçoit un ou une paire de signaux qui déterminent la direction du faisceau. Les signaux d'entrée représentent une adresse dans la table de consultation. Le mot qui est lu dans la mémoire est transmis à la seconde table de consultation. Ce signal, combiné avec un second signal d'entrée, qui représente la distance de la cible, forme une adresse pour la seconde table de consultation. Le mot, qui est mémorisé à cette adresse de la seconde table est lu et représente un retard, c.à.d. constitue le signal de commande de retard pour le transducteur associé afin de retarder le signal reçu avant de l'ajouter dans un sommateur avec les

6 2617647

autres signaux retardés des autres transducteurs. Dans le cas d'une

antenne d'émission, il commande le retard du signal avant de l'appli-

quer au transducteur émetteur correspondant. Plus généralement, dans un exemple de réalisation de l'invention, chaque circuit à retard comprend un premier circuit numérique qui reçoit un ou une paire de signaux représentant une direction de cible par rapport à un point de référence prédéterminé, et qui, en réponse, délivre un premier signal représentant une fonction de l'angle inclus entre les lignes joignant le point de référence au transducteur correspondant et le point de référence à la cible, et un second circuit numérique communiquant avec le premier pour recevoir le premier signal ainsi qu'un second signal représentant la distance de la cible par rapport au point de référence et, en réponse, délivrant un signal de sortie correspondant

au signal de commande.

Dans un autre exemple de réalisation de l'invention, une anten-

ne réseau à transducteurs multiples comprend une pluralité de

circuits à retard numériques, dont chacun correspond à chaque trans-

ducteur pour retarder la transmission du signal qui y passe, et comporte une entrée de commande de retard. Un appareil convertisseur analogiquenumérique est relié à chaque transducteur pour recevoir son signal de sortie et a sa sortie reliée à une entrée du circuit à retard correspondant. Un sommateur a ses entrées reliées aux sorties correspondantes des circuits à retard pour recevoir les signaux de sortie des transducteurs retardés différemment et délivre un signal de sortie. Un circuit de commande définit le retard de chaque circuit à retard. Chaque circuit de commande comprend une première table de consultation recevant un signal représentant la direction d'une ligne joignant le cible à un point de référence prédéterminé, comme adresse et, en réponse, délivrant un premier signal mémorisé à cette adresse

et représentant l'angle inclus entre les lignes joignant le transduc-

teur correspondant au point de référence et le point de référence à la cible. Une seconde table de consultation reçoit le premier signal et un second signal représentant la distance de la cible par rapport au point de référence comme adresse et, en réponse, délivre le signal de commande de retard qui est mémorisé à cette adresse. Le signal de commande de retard est appliqué à une entrée de commande de retard correspondante d'un circuit à retard correspondant pour définir le

retard de transmission du signal passant par le transducteur concer-

7 2617647

né. Les tables de consultation peuvent évidemment ne former qu'une seule mémoire si les contraintes sur les adresses peuvent être

résolues d'une manière connue de l'état de la technique.

Les signaux représentant la direction et la distance de la cible peuvent être fournis par une source externe qui ne fait pas partie de l'invention (par ex., par un panneau de commande manuel) et

peuvent être simplement des signaux convertis en numérisés corres-

pondant à des tensions continues établies par un potentiomètre monté

sur une source d'alimentation, ou un appareil équivalent. En prati-

que, les transducteurs peuvent être les hydrophones d'un système sonar, les éléments de réseau d'une antenne radar, etc.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ain-

si que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la des-

cription suivant d'exemples de réalisation, ladite description étant

faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est un schéma illustrant les principes de base du dispositif de mise en forme de faisceau, la Fig. 2 est un bloc-diagramme des concepts de base de l'invention,

la Fig. 3 est un bloc-diagramme d'un dispositif suivant l'inven-

tion,

la Fig. 4 est un bloc-diagramme d'un premier exemple de réalisa-

tion utilisable dans le dispositif de la Fig. 3, la Fig. 5 est un schéma d'un autre exemple de réalisation de l'invention, et la Fig. 6 est un schéma d'un autre exemple de réalisation

suivant l'invention.

A la Fig. 1, on a illustré l'idée de base du dispositif de mise en forme de faisceau d'une antenne à transducteurs multiples. Une antenne 1 est formée de transducteurs 2A à 2E qui ici sont disposés dans un même plan. Un point de référence 3 et une cible 4 sont aussi supposés dans le même plan que les transducteurs. La cible 4 est une source de signaux (dans le cas d'une réception) qui peut engendrer

les signaux ou réfléchir ou diffuser des signaux engendrés ailleurs.

La vitesse de propagation dans le milieu est supposée être la même en tous les points et dans toutes les directions, les signaux se propageant avec des fronts d'onde sphériques à partir de la cible, îo 2617647 longueur du mot d'adresse. Ce signal de sortie constitue la commande de retard avec une longueur en bits suffisante pour obtenir la

résolution voulue.

Les tables de consultation utilisées dans cet exemple ont une capacité de 2 (16 384) mots chacune, soit un total de 32 768 mots, ce qui est très réduit par rapport aux 1 048 576 mots de la technique antérieure.

La base géométrique de la présente invention peut être illus-

trée en réécrivant l'expression mentionnée ci-dessus sous une forme légèrement différente. En se référant encore à la Fig. 1, les retards nécessaires peuvent être correctement définis par rapport au temps d'arrivée du front d'onde sur un transducteur réel ou hypothétique situé au point 3. Etant rappelé que la distance du point de référence 3 à la cible 4 est définie comme la distance de la cible, la valeur du retard à appliquer aux signaux issus du transducteur 2C est égale a: retard = dréf + (R - r)/c o dréf est le retard nécessaire au point de référence 3, et

R est la distance de la cible.

Les relations entre les c8tés et les angles du triangle plan formé par la cible, le point de référence et le transducteur 2C permet de transformer cette expression en la suivante: retard = dréf + LR - (R2 + x2 - 2RxcosA) 4]/c o A est l'angle entrée la ligne joignant le point de référence à la cible et la ligne joignant le point de référence au transducteur 2C, et x est la distance entre le transducteur et le point de référence. I1 faut noter que cette expression valable dans un espace à deux

dimensions l'est aussi dans un espace à trois dimensions.

Le sens de cette forme d'expression du retard est que, pour tout transducteur donné, le retard d'orientation du faisceau n'est fonction que de deux paramètres, R et A. De plus, l'angle A est, pour tout transducteur, défini, d'une manière unique par la direction du faisceau (direction de la ligne allant du point de référence à la cible) et la position du transducteur, mais il est indépendant de la distance R. Ainsi, les deux coordonnées de direction du faisceau (c.à.d pixel et ligne, ou azimut et site) peuvent être transformées en un seul paramètre intermédiaire (A), complètement indépendant de la variable (R), réduisant ainsi l'opération de consultation à trois dimensions à deux opérations de consultation à trois dimensions faites en série. Le problème à trois dimensions d'obtention du signal de retard a ainsi été transformé en un problème à deux dimensions ne demandant qu'une capacité de mémoire sensiblement réduite par rapport

à la capacité de mémoire des paramètres à trois dimensions.

Les tables de consultation 7 et 8 peuvent être des mémoires à accès aléatoire. Pour la table 7, une mémoire de 128 k sur une seule

puce du type 27128 peut traiter un total de 16 384 mots d'orienta-

tions de faisceau distinctes. Cela suffit pour un champ image de 128 pixels par 128 lignes ou 360 incréments en azimut et 45 en site. Dans le cas le plus difficile (couverture sphérique complète), cette capacité de mémoire peut fournirr deux résolutions angulaires en azimut et en site, bien que définir des faisceaux de cette manière n'est peut-être pas la meilleure manière d'utiliser les adresses des tables de consultation, si le critère est la couverture angulaire uniforme du champ objet. A noter que le code d'adresse peut être considéré comme une simple liste d'orientations de faisceau, dans un ordre adéquat (par exemple, une séquence d'exploration de champ) et

on peut avoir accès aux faisceaux d'une manière aléatoire.

Le champ d'adresse de la puse mémoire 27128 comporte 14 bits.

On peut utiliser une puce semblable pour la table de consultation 8.

Comme 8 bits de l'adresse d'entrée de la ttbale 8 sont utilisés pour définir l'angle A (sortie de la table 7), oh a 6 bits pour la variable distance (x-n). Le scéma de codage le plus efficace est celui qui engendre une distribution uniforme des erreurs de retard de l'infini à la distance minimale à laquelle le dispositif de mise en

forme du faisceau peut focaliser.

L'effet de la résolution en distance sur la détermination du retard est tout à fait non linéaire, allant d'une très grande résolution dans le champ proche à une résolution insignifiante dans le champ lointain. Une entrée de distance non codée entraînerait une longueur de mot d'adresse inutilement grande pour la table afin

d'avoir une résolution acceptable pour une cible du champ proche.

Pour cette raison, on préfère augmenter le nombre de mots mémorisés pour les distances du champ proche et diminuer le nombre des distance

pour le champ lointain, c.à.d inverser la non linéarité.

Ainsi, chaque circuit de commande de retard est identique, sauf en ce qui concerne les données mémorisées en chaque place de mémoire

des tables.

La Fig. 3 est le bloc-diagramme d'un circuit de mise en forme de faisceau par retard numérique et sommation. Les transducteurs 15 interceptent les signaux reçus de la cible. Ces signaux passent dans

des amplificateurs 16 associés et les signaux amplifiés sont respecti-

vement appliqués à des convertisseurs analogique-numérique 17. Ainsi, les signaux sont numérisés et ensuite appliqués aux circuits 18 à - retard commandable. Après avoir été retardés, les signaux numériques des transducteurs sont appliqués aux entrées d'un sommateur 19 dont la sortie délivre le signal de sortie de l'antenne sur le fil- 20. Un circuit decommande et de base de temps 21 commande le retard dans les circuits 18, ainsi que le fonctionnement des convertisseurs 17 et du sommateur 19. Le circuit 21 applique des signaux de commande aux circuits 18 afin d'obtenir l'orientation électrique (formation de faisceau) de l'antenne pour remplir les caractéristiques de retard requises pour identifier la position unique dans l'espace à trois dimensions définie par la position de la cible 4, comme on l'a décrit ci-dessus en relation avec la Fig. 1, avec les possibilités de

résolution de l'antenne.

La Fig. 4 montre le schéma du circuit à retard inclus dans chaque circuit 18 de la Fig. 3. La table de consultation 7 reçoit un

signal de direction de faisceau des lignes d'adresse d'entrée 9.

L'adresse peut être définie simplement comme un numéro de faisceau prédéterminé qui a été prénormalisé pour représenter une certaine direction. Le signal de sortie de la table 7 est appliqué, par les lignes de sorties 10 et avec le signal d'adresse de distance sur les lignes d'entrée 11, aux entrées d'adresse de la table 8. Le signal d'entrée de distance peut aussi être représenté par un code de distance qui a été prédéfini pour représenter une distance pédéterminée. Le code de distance et le signal de sortie de la table 7 forment ensemble une entrée d'adresse pour la table 8 qui, en réponse, délivre le signal

de commande de retard sur la ligne de sortie 12.

Le signal numérisé reçu de la cible, par le transducteur 15,

13 2617647

est appliqué, par la ligne d'entrée de données 23, au port de données DIN d'une mémoire de données 24, L'adresse d'écriture à ajouter au mot de sortie de la table 8 est reçu sur des lignes d'adresse 25 qui sont reliées à une entrée du sommateur 26. Le signal de sortie du sommateur 26 est appliqué à l'entrée d'adresse de la mémoire 24. De préférence, les signaux de source d'adresse de données sont engendrés dans un compteur qui incrémente simplement la place d'adresse pour écrire les données d'entrée venant du transducteur par les lignes d'entrée 23. En fait, on préfère prendre pour la mémoire

24 un tampon cyclique qui écrit simplement les données séquentielle-

ment d'un bout de la mémoire à l'autre et revenant au début, en

écrasant les anciennes données une fois atteint le bout de la mémoire.

Le signal de retard de la table 8 est appliqué à une entrée d'une porte ET 27 vers le sommateur 26. La seconde entrée de la porte ET 27 est reliée à une entrée de commande 28 qui est aussi reliée à l'entrée R/W de commande lecture-écriture de la mémoire 24. Les données d'entrée retardées sont délivrées par la mémoire 24 sur la ligne de sortie 29. Le ligne 29 de chaque mémoire est reliée à une

entrée correspondante d'un sommateur 19, Fig. 3.

En fonctionnement, un circuit de commande externe, ne faisant

pas partie de l'invention, accomplit un cycle d'écriture. Une impul-

sion d'écriture est reçue sur la ligne de commande 28 reliée à la borne R/W de la mémoire, ce qui fait passer la mémoire 24 en mode d'écriture. La porte ET 24 est simultanément bloquée. Les données reçue sur les lignes 23 du transducteur associé sont écrites dans la mémoire 24 à l'adresse définie par les signaux provenant des lignes 25. Si l'on suppose que la mémoire 24 a été remplie de données aux cycles précédents, l'adresse est incrémentée et l'entrée de commande 28 se commute sur un cycle d'écriture. La porte ET 27 devient passante permettant aux données de sortie de la mémoire 8 de passer dans le sommateur 26. L'adresse provenant de la ligne 25 est ainsi accrue de la valeur du signal de sortie de la table 8. L'adresse de lecture est donc un incrément de l'adresse qui vient d'être écrite,

cet incrément représentant un retard.

De cette manière, les cycles de lecture et d'écriture sont

temporellement multiplexés; il est préférable qu'il y ait, en prati-

14 2617647

que, plusieurs cycles de lecture pour un cycle d'écriture. Le taux de sortie de faisceau est ainsi rendu entièrement indépendant du taux d'entrée des échantillons de données. Le taux d'échantillons est déterminé par les contraintes de résolution de retard formant le faisceau plut8t que par la théorie de l'échantillonnage et est

normalement nettement supérieur au taux de Nyquist.

Le retard d'un échantillon sortant est défini par la différence entre son adresse de lecture et son adresse d'écriture multiplié par l'intervalle entre deux échantillons. A noter qu'il y a un retard relatif entre les signaux des transducteurs et non une valeur absolue

de retard, ce qui est important pour la mise en forme du faisceau.

La capacité minimale de la mémoire 24, en terme de nombre

d'échantillons qu'elle contient, est déterminée par le taux d'échan-

tillonnage et le délai maximal nécessaire, qui est fonction de la géométrie du réseau et des angles d'orientation. En pratique, on devrait utiliser une mémoire de capacité beaucoup plus grande de manière à pouvoir obtenir plusieurs échantillons de chaque faisceau (en coups au but successifs) sans avoir à attendre de nouvelles données. La taille du mot dans la mémoire peut ne pas dépasser un bit et, dans ce cas, on peut utiliser de simples circuits limiteurs analogiques au lieu de convertisseurs analogique/numérique, ou bien la taille de ce mot peut être choisie aussi grande qu'on le veut. Le choix de la taille du mot dépend normalement de considérations sur les performances du sonar ou du radar plut6t que de limitations

technologiques du dispositif de mise en forme du faisceau.

A noter également que le numéro de faisceau (orientation), le code de distance (distance), les adresses et les divers signaux de commande sont engendrés extérieurement et sont communs à tous les circuits à retard du système. Les seules différences entre les circuits associés aux transducteurs sont les données mémorisées dans

les tables de consultation.

Le sommateur 26 réalise les fonctions de décalage du retard par rapport à l'adresse d'écriture courante de manière qu'aucune des valeurs de retard ne chevauche la limite entre les anciennes et les - nouvelles données, et il permet au circuit de commande d'avancer pas

à pas suivant les "coups au buts" successifs de chaque faisceau.

A la Fig. 5 est montré un exemple de réalisation réel du

circuit du bloc-diagramme de la Fig. 4. Les mémoires mortes effaça-

bles et programmables (EPROM) 30 et 31, de préférence des mémoires du type 27128 (128 k), sont utilisées comme tables de consultation 7 et 8. Les -14 ports d'entrée d'adresse A0 à A13 reçoivent le mot ou la paire de mots de numéro du faisceau. Les 8 ports de sortie de données D à D de la mémoire morte 30 sont reliés aux 8 lignes d'adresse de o 7 la mémoire morte 31 et 6 lignes d'entrée qui transmettent le code de distance sont reliées aux ports d'adresse restants de la mémoire 31, ce qui donne un signal d'adresse à 14 bits pour les ports A0 à A13 de

la mémoire 31.

- Les 8 ports de sortie D à D de la mémoire 31 (table de

0 7

consultation 8) sont reliées aux entrées d'un tampon 32 du type 273.

La sortie du tampon 32 est reliée à une entrée d'un sommateur 33 du type 283. Le tampon 32 réalise la fonction de la porte ET 27 de la Fig. 4 et améliore la vitesse du système en déduisant le temps d'accès aux tables du cycle de la mémoire. Cela est intéressant car

on doit avoir accès à la mémoire beaucoup plus souvent qu'aux tables.

Le signal d'adresse de données (par exemple 11 bits) est appliqué à l'autre port d'entrée du sommateur 33 par les lignes 25 et les 11 ports de sortie du sommateur 33 sont reliés aux ports d'adresse A0 à A10 de la mémoire de données 34. Celle-ci peut être

une mémoire statique à accès aléatoire (RAM) de 2k x 8.

Les données d'entrée numérisées provenant du transducteur pas-

sent dans un tampon à trois états 35 et sont appliquées aux ports DO 0 à D7 de la mémoire 34. Les mêmes ports peuvent être utilisés pour

lire les données de sortie retardées vers la ligne de sortie 36.

Les mémoires 30 et 31 peuvent évidemment être plus grandes, par ex. 512k, pour augmenter la résolution et, tant que le coût des mémoires diminue, cela est préférable. Dans l'exemple de réalisation décrit, chaque mémoire est organisée en 16 384 mots de 8 bits. Ainsi,

la mémoire 30 peut mémoriser un total de 16 384 orientations distinc-

tes du faisceau ce qui, comme on l'a mentionné ci-dessus, suffit pour un champ image de 128 pixels par 128 lignes, ou 360 incréments en azimut par 45 en site. La mémoire 31 délivre une valeur de retard sur

8 bits.

Les autres lignes de commande de chaque mémoire (par exemple

16 Z 2617647

CS, WE, etc.) sont bien connues comme faisant partie de l'état de la

technique et n'ont pas besoin d'être décrites en détail.

A la Fig. 6 est montré un autre exemple de réalisation de la présente invention. Dans cet exemple, les tables de consultation sont réalisées en utilisant des mémoires dynamiques à accès aléatoire

(DRAM) 40 et 41. Chaque mémoire a une capacité de 64k mots de 9 bits.

La mémoire 40 est adressée comme la mémoire 30 dans l'exemple de la Fig. 5. Cependant ses lignes de sortie D0 à D8 sont reliées à un groupe d'entrées d'un multiplexeur 2:1 42 avec les données de code de distance, des lignes 11 étant reliées à l'autre groupe d'entrées. Le port de sortie du multiplexeur 42 est relié aux entrées d'adresse A0 à A7 de la mémoire 41. Les lignes de sortie DO à D8 de la mémoire 41 sont reliées aux entrées d'un tampon 43 dont les sorties sont reliées

à un jeu d'entrées du sommateur 33. L'autre jeu d'entrées du somma-

teur 33 est relié aux lignes sources d'adresses 25, comme dans l'exemple de la Fig. 5. La sortie du sommateur 33 est reliée aux entrées d'adresse de la mémoire à accès aléatoire 34 qui, dans ce

cas, a une capacité de 4k mots de 8 bits.

Le circuit décrit ci-dessus fonctionne comme celui de la Fig. 5, sauf en ce qui concerne l'utilisation d'un multiplexeur 42 pour combiner le signal de sortie à 9 bits de. la mémoire 40 et le signal de distance à 7 bits pour qu'ils forment ensemble un mot d'adresse à 8 bits pour la mémoire 25. Cependant, les données emmagasinées dans les mémoires dynamiques sont volatiles et les tables doivent être rechargées par le contrôleur du système à chaque fois que le système est mis en route. Le fait de pouvoir recharger les tables est très avantageux dans des applications o la géométrie de distance est légèrement changeante, comme quand les transducteurs sont des bouées acoustiques de décalage déployées dans l'air, par exemple, utilisées dans des systèmes de localisation de sous-marins militaires. L'utilisation de mémoires d'une capacité de 1 bit offre aussi une plus grande souplesse dans les longueurs de mots d'entrée et de sortie des tables de consultation, mais au prix d'une plus

grande complexité des circuits.

Pour charger les mémoires, les données à y écrire sont appli-

quées sur les lignes 43 à partir d'un circuit de contr8le externe.

Les lignes 43 sont reliées aux ports de données de la mémoire

17 21767

par des tampons à trois états 44 et aux ports Do à D8 de la mémoire 41 par des tampons à trois états 45. Des lignes de commande externes sont reliées aux entrées de commande des tampons 44 et 45

par le bus 48.

Des lignes d'adresse d'écriture 46 transmettent des signaux de sélection de mémoire des mémoires 40 et 41 à partir du contrôleur externe vers un décodeur d'adresse 47 dans lequel ces signaux sont décodés. Les lignes de sortie du décodeur 47 sont reliées aux entrées

de sélection de puce des mémoires à accès aléatoire 40 et 41.

Pour charger les mémoires 40 et 41, les données sont présentées sur les lignes d'écriture de données 43, puis passent dans le tampon 44 ou le tampon 45 sous la commande d'un signal d'activation de tampon transmis par le bus de commande 48. L'adresse de sélection de mémoire apparaît sur le bus d'adresse 46 et est décodée, le signal d'activation résultant étant appliqué à l'entrée de sélection de puce de la mémoire 40. Les données sont chargées à l'adresse définie par

le signal d'adresse transmis sur les lignes d'adresse d'entrée 9.

Les données à charger dans la mémoire 41 passe par le tampon à trois états 45 en provenance des lignes d'écriture de données 43, la mémoire 41 étant activée par un signal transmis sur le bus d'adresse 46, ce signal étant décodé dans le décodeur d'adresse 47, puis

appliqué à la borne de sélection de puce de la mémoire 41.

Les données de table de consultation à charger sont transmises aux bornes DO à D8 de la mémoire 41 par le tampon 45, puis chargées dans la mémoire aux adresses définies par les données d'adresse qui sont transmises par le tampon 44 sous la commande d'un signal

transmis sur le bus de commande 48 et des données d'adresse appli-

quées aux lignes 11. Les données d'adresse passent dans le multiple-

xeur 42 vers les entrées A0 à A7 de la mémoire 41. Les données d'adresse passant dans le tampon 4 ne sont évidemment pas chargées dans la mémoire 40, car cette mémoire est, à ce moment là, inhibée par un signal d'inhibition appliqué à son entrée de sélection de puce qui se déduit du signal transmis par le bus d'adresse 46 et décodé

dans le décodeur 47.

Pendant le fonctionnement -normal, hors d'une opération de chargement, du circuit, les tampons à trois états 44 et 45 sont commutés à l'état non conducteur par des signaux de commande du bus de commande 48. Les mémoires 40 et 41 sont sélectées au moyen d'un

18 2617647

signal d'adresse transmis sur le bus d'adresse 46 et décodé dans le

décodeur 47 pour former les signaux nécessaires de sélection de puce.

Le signal de sélection d'orientation de faisceau est appliqué de l'extérieur au bus d'adresse 9. Le mot de 9 bits mémorisé à la place de mémoire adressée dans la mémoire 40 est délivré sur les sorties DO à D8 de la mémoire et est transmis au premier port d'entrée du multiplexeur 42. Au même moment, le signal de distance à 7 bits est appliqué de l'extérieur aux lignes 11 pour compléter l'adresse de la mémoire 41. Le multiplexeur 42 combine les deux signaux et applique un signal d'adresse de 8 bits aux ports d'adresse de la mémoire 41 qui, à son tour, délivre vers le tampon 43 un signal de retard à 9 bits mémorisé à l'adresse sélectée. Le signal de retard est appliqué au premier port du sommateur 33 qui le combine avec le signal d'adresse à 12 bits provenant du bus 25 et délivre un signal

d'adresse à la mémoire de données 34.

Un contrôleur externe peut être conçu par l'homme de métier afin d'obtenir les signaux externes mentionnés ci-dessus. Le reste du

circuit fonctionne comme on l'a décrit en rapport avec la Fig. 5.

Les signaux de sortie des transducteurs retardés et transmis par les lignes 36 sont appliqués au sommateur numérique 19, Fig.3, dont le signal de sortie constitue le signal de sortie de l'antenne

*sur le fil 20.

Le dispositif de mise en forme de faisceau, qui a été décrit ci-dessus, peut par nature subir des extensions. Cela peut être effectivement réalisé en concevant le dispositif- pour un nombre fixe de canaux de transducteurs, par ex. 64, puis en montant deux ou trois

telles unités en parallèle.

Des dispositifs supplémentaires de mise en forme de faisceau fonctionnant en parallèle avec les mêmes données de transducteurs peuvent être utilisés pour augmenter le nombre d'échantillons par seconde (avec le même nombre de faisceaux), ou pour augmenter le nombre de faisceaux avec le même débit de sortie par faisceau, ou les deux. Dans les deux cas, il faut prévoir un endroit logique pour relier les dispositifs supplémentaires derrière les convertisseurs

analogique/numérique afin d'éviter des duplications.

De même, deux ou plusieurs dispositifs peuvent être montés en parallèle pour traiter un plus grand nombre de transducteurs, et,

19 2 6 1 7

dans ce cas, il faut agrandir le sommateur numérique.

Les circuits de retard de base décrits ci-dessus s'appliquent aussi bien à l'émission qu'à la réception. En mode émission, la mémoire de données de transducteur 24 ou 34 est programmée avec une forme d'onde adéquate, par exemple une modulation par compression, et un convertisseur numérique/analogique suivi d'un amplificateur de

puissance serait montés à sa sortie pour alimenter l'élément trans-

ducteur associé.

Le dispositif de mise en forme décrit ci-dessus peut fonction-

ner en mode actif ou en mode passif. Quand il est utilisé en

réception dans un sonar, le code de distance engendré par le contrS-

leur du système augmente de préférence linéairement en fonction du temps après chaque émission d'impulsion de manière à ce que les échos

reçus soient toujours focalisés.

L'invention s'applique aussi aux dispositifs de mise en forme de faisceaux à déphasage. En fait, comme il faut normalement moins de bits pour un déphasage que pour un retard, la longueur du mot de sortie de la seconde table de consultation, table 8, Fig. 4, peut

être réduite.

Bien que l'exemple de réalisation décrit s'applique plus parti-

culièrement à des applications dans des sonars acoustiques, on peut aussi l'utiliser dans des radars et, plus particulièrement dans des radars à réseaux déphasés avec déphaseur à commande numérique. Des radars bassefréquence, tels que ceux qui sont utilisés pour des applications au-delà de l'horizon pourraient utiliser le dispositif

de l'invention directement en bande de base.

Le dispositif décrit ci-dessus est aussi complètement compati-

ble avec des systèmes utilisant un traitement de corrélation de signal de sortie du faisceau pour la compression d'impulsions o pour

la détection d'impulsions codées.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1) Dispositif de commande de mise en forme de faisceau pour antenne réseau à transducteurs multiples (2A à 2E) comprenant un circuit à retard engendrant un signal de commande de retard ou de déphasage pour chaque transducteur caractérisé en ce que chaque circuit à retard (18) comprend un premier circuit numérique (7)-qui reçoit un ou une paire de signaux représentant la direction d'une cible (4) par rapport à un point de référence prédéterminé (3) et qui, en réponse, délivre un premier signal fonction de l'angle inclus entre les lignes joignant, d'une part, le point de référence (3) au transducteur correspondant et, d'autre part, le point de référence (3) à la cible (4), et un second circuit numérique (8) communiquant avec le premier circuit numérique pour recevoir ledit premier signal et recevant un second signal qui représente la distance de la cible au point de référence et qui, en réponse, délivre un signal de sortie

correspondant audit signal de commande.

2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que

chaque circuit numérique est formé d'une première table de consulta-

tion (7) recevant lesdits signaux de direction de la cible, signaux qui forment une première adresse de table de consultation, et, en réponse, délivrant un mot numérique correspondant définissant ledit premier signal, et une second table de consultation recevant lesdit premier signal et ledit second signal, formant une seconde adresse de table de consultation (8) et, en réponse, délivrant un mot numérique

correspondant définissant ledit signal de sortie.

3) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que

la seconde table de consultation (8) contient plus de mots définis-

sant les valeurs de retard pour le champ proche que de mots définis-

sant des valeurs de retard pour le champ lointain, de manière que la résolution de l'antenne soit plus grande pour le champ proche que

pour le champ lointain.

4) Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les première et seconde tables de consultation sont des

mémoires à accès aléatoire.

) Antenne réseau à transducteurs multiples caractérisée en ce qu'elle comprend: (a) une pluralité de circuits numériques à retard (18), dont

21 2 6 1764

chacun correspond à chaque transducteur (15) pour retarder la trans-

mission du signal qui y passe, et contenant une entrée de commande de retard,.. (b) un convertisseur analogique-numérique (17) relié à chaque 5 transducteur (15) pour recevoir son signal de sortie et ayant une sortie reliée à une entrée du circuit à retard (18) correspondant au transducteur, (c) un sommateur (19) ayant ses entrées reliées aux sorties correspondantes des circuits à retard (18) pour recevoir les signaux de sortie des transducteurs (15) et délivrant un signal de sortie (20) de faisceau de l'antenne, (d) un circuit de commande commandant le retard de chaque circuit à retard (18), chaque circuit de commande comprenant une première table de consultation (7) recevant un signal représentant la direction d'une ligne joignant la cible à un point de référence prédéterminé et, en réponse, délivrant un premier signal représentant l'angle inclus entre les lignes joignant le point de référence au transducteur correspondant et le point de référence à la cible, et une seconde table de consultation (8) reçevant le premier signal et un second signal représentant la distance de. la cible par rapport au point de référence et, en réponse, délivrant un signal de commande de retard, et (e) un moyen pour appliquer le signal de commande de retard à une entrée de commande de retard correspondante du circuit à retard correspondant pour commander le retard de transmission du signal

passant par le transducteur correspondant.

6) Antenne suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les tables de consultation (7, 8) de chaque circuit à retard sont des mémoires numérique à accès aléatoire mémorisant des mots représentant ledit premier signal et lesdits signaux de commande de retard en des places d'adresses prédéterminées, lesdits signaux de direction de la cible étant sous la forme d'une définition d'orientation de faisceau constiutant une première adresse numérique permettant de lire un mot mémorisé dans une place d'adresse correspondante, ledit second signal étant sous la forme d'une définition de code de distance constituant une seconde adresse numérique combinée avec ledit premier signal

permettant de lire un mot mémorisé dans la place d'adresse correspon-

22 2617 6 47

dante correspondant audit signal de commande de retard.

7) Antenne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que chaque circuit à retard (18) est formé d'un déphaseur commandé numériquement. 8) Antenne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que chaque circuit à retard (18) comprend une mémoire de données (24)

permettant d'écrire les signaux numériques de sortie d'un convertis-

seur analogique/numérique correspondant et de lire ladite mémoire de données (24) à une adresse définie par le signal de commande de

retard correspondant.

9) Antenne suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la mémoire de données (24) se compose d'un tampon cyclique comprenant des moyens pour écrire lesdits signaux numériques dans des places à

adresses séquentielles et des moyens pour lire lesdits signaux numéri-

ques dans des places à adresses séquentielles respectivement séparées des adresses d'écriture par un incrément d'adresse défini par le

signal de commande de retard.

) Antenne suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un tampon (32) reliée à la sortie de données de la seconde table de lecture (31) pour mémoriser temporairement le signal

de commande de retard qui sert à adresser la mémoire de données (34).

11) Méthode de commande d'orientation du faisceau d'une antenne à transducteurs multiples caractérisée en ce qu'elle comprend, pour

chaque transducteur, la phase de mémorisation de premiers mots numéri-

ques représentant l'angle inclus entre les lignes joignant un point de référence au tranducteur et le point de référence à la cible dans

une première table de consultation correspondante, pour chacun des-

dits premiers mots numériques, la phase de mémorisation de seconds

mots numériques représentant des signaux de commande de retard corres-

pondant aux distances d'une cible par rapport au point de référence dans une seconde table de consultation associée à la première table de consultation, la phase d'adressage de chaque première table de consultation par un signal d'adresse représentant la direction de ladite cible afin d'obtenir un premier mot numérique correspondant, la phase d'adressage de la seconde table de consultation par le

premier mot numérique correspondant combiné avec un signal représen-

tant la distance de la cible afin d'obtenir un second mot numérique

23 2 617647

correspondant, et la phase de retard d'un signal reçu par le transduc-

teur correspondant d'une quantité représentée par le second mot numérique. 12) Méthode suivant la revendication 11, caractérisée en ce que le nombre de bits dans le premier mot numérique est plus petit que

dans le signal d'adresse représentant la direction de la cible.

13) Méthode suivant la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle comprend la phase de mémorisation séquentielle du signal - reçu de chaque transducteur et la phase de lecture répétée du signal mémorisé à des adresses décalées des adresses de lecture d'une

quantité représentée par le second mot numérique.