FR2668834A1 - Procede pour transmettre des informations d'un vehicule sous-marin vers la surface, notamment en vue de le localiser, et dispositifs de mise en óoeuvre. - Google Patents

Abstract

Le procédé consiste à émettre, à partir d'un véhicule sous-marin (1), un faisceau laser (F) dirigé vers le haut et traversant l'interface eau-air, et à détecter la lumière provenant du faisceau (F) avec des moyens photodétecteurs à bord d'un bateau de servitude (2), de manière à obtenir des informations portées par le faisceau (F). Le procédé convient particulièrement pour localiser le véhicule sous-marin (1), notamment pour déterminer son gisement, dans les cas de faibles hauteurs d'eau. Applications dans les opérations de surveillance des fonds marins.

Description

PROCEDE POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS
D'UN VEHICULE SOUS-XARIN VERS LA SURFACE,
NOTAMMENT EN VUE DE LE LOCALISER,
ET DISPOSITIFS DE NISE EN OEUVRE
La présente invention concerne un procédé pour transmettre en surface des informations à partir d'un véhicule sous-marin, plus particulièrement en vue de le localiser. Elle concerne également des dispositifs de mise en oeuvre de ce procédé.

Le problème de la localisation de véhicules sous-marins se pose notamment dans les opérations de surveillance sous-marine, lesquelles s'effectuent le plus souvent dans des zones à faible hauteur d'eau (inférieure à 100 m), car les zones d'intérêt correspondent en général à des points de passage obligé situés à proximité des côtes, tels que détroits, estuaires, etc.

Dans le cadre de ces opérations de surveillance, une précision de localisation aussi grande que possible est nécessaire pour permettre une corrélation de mission à mission, soit par exemple retrouver avec un sonar de relocalisation un objet précédemment détecté. Cette précision porte sur la mesure, à partir d'un bâtiment de servitude en surface, du gisement et de la distance qui sont les deux paramètres principaux de localisation.

I1 existe plusieurs méthodes pour déterminer la distance. Dans le cas d'un véhicule remorqué, on l'obtient avec une précision convenable par l'intermédiaire du câble de remorquage, en calculant sa déformée.

On peut recourir également à des moyens acoustiques comprenant un émetteur acoustique sur le véhicule sous-marin et un récepteur acoustique sur le bâtiment en surface. A l'aide d'horloges synchrones, on mesure le retard entre réception et émission, et on en déduit directement la distance, connaissant l'immersion du véhicule sous-marin.

Ces moyens acoustiques permettent également de déterminer le gisement, avec un récepteur sur le bâtiment en surface comportant deux hydrophones.

Toutefois, la précision obtenue n'est que rarement satisfaisante, du fait de multiples causes de perturbation de la transmission et de la réception des ondes acoustiques, dans le cas surtout de faibles hauteurs d'eau, les principales de ces causes étant l'existence de couches d'eau de salinités et/ou de températures différentes qui peuvent empêcher à la limite tout trajet acoustique direct entre le véhicule sous-marin et le bâtiment en surface, et qui sont particulièrement présentes dans les zones à fort mouvement d'eau tels que détroits et estuaires; les trajets parasites dus aux réflexions sur le fond, sur la surface et sur le bâtiment; et le bruit et le sillage du bâtiment.

Le but premier de l'invention est d'apporter une plus grande fiabilité et une meilleure précision qu'avec les moyens précités dans la localisation d'un véhicule sous-marin naviguant à faible immersion, notamment en ce qui concerne la détermination du gisement.

A cet effet, l'invention est un procédé pour transmettre des informations à partir d'un véhicule sous-marin vers une base de référence en surface, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre, à partir du véhicule sous-marin, un faisceau laser dirigé vers le haut et traversant l'interface eau-air, et à détecter la lumière provenant dudit faisceau avec des moyens photodétecteurs présents à ladite base de référence, de manière à obtenir des informations portées par ledit faisceau.

Afin de déterminer le gisement du véhicule sous-marin par rapport à la base de référence, les moyens photodétecteurs sont choisis aptes à indiquer la direction d'où provient la lumière du faisceau laser, lequel est dirigé de telle façon que cette direction soit également celle du point d'émission du faisceau, et donc celle du véhicule sous-marin.

Dans une première façon d'opérer, le faisceau laser est émis verticalement, sa lumière parvenant aux moyens photodétecteurs par l'intermédiaire des aérosols naturels, renforcés s'il y a lieu par des aérosols artificiels.

En variante, le faisceau laser est dirigé obliquement, au voisinage de l'angle de réfraction totale, de façon à ne sortir de l'eau que très faiblement incliné par rapport à l'horizontale. Le faisceau est alors orienté vers les moyens photodétecteurs qui reçoivent directement sa lumière.

Des informations à bas débit, telles que l'immersion du véhicule sous-marin, son altitude par rapport au fond, des indications sur sa navigation, etc., peuvent être transmises par modulation du faisceau laser.

Par une modulation d'amplitude, il est également possible de déterminer la distance horizontale entre le véhicule sous-marin et la base de référence en surface, en mesurant le retard entre la réception et l'émission de l'impulsion lumineuse.

L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé énoncé ci-dessus, caractérisé ence qu'il comprend, sur un véhicule sous-marin, des moyens pour émettre un faisceau laser vers le haut de manière à ce qu'il traverse l'interface eau-air et, sur une base de référence en surface, des moyens de détection du faisceau sortant de l'eau.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des dessins annexés, dans lesquels
les Figs. la et lb sont respectivement des vues schématiques de côté et de dessus d'un véhicule sous-marin et d'un bateau en surface équipés d'un
dispositif selon l'invention, et illustrant un premier mode d'utilisation,
les Figs. 2a et 2b sont deux vues semblables aux
Figs. la et lb illustrant un seconde mode d'utilisation d'un dispositif selon l'invention,
les Figs. 3 et 4 sont des vues schématiques, de dessus, représentant respectivement deux types de photodétecteur susceptibles de faire partie d'un dispositif conforme à l'invention, et
la Fig. 5 est une vue schématique d'un arrangement particulier des moyens détecteurs dans un dispositif conforme à l'invention.

Aux Figs. 1 et 2, un véhicule sous-marin 1, par exemple du type sonar, est représenté schématiquement dans le cadre d'une opération de surveillance classique, à savoir qu'il évolue à proximité du fond, derrière un bateau 2 auquel il est relié par un câble de remorquage 3. Ce dernier sert en outre à la transmission bidirectionnelle d'informations que l'on peut classer en trois catégories correspondant à des débits différents des informations à très haut débit, de l'ordre de plusieurs dizaines de mégabauds, à partir du véhicule sous-marin, qui résultent de ses observations et qui consistent, par exemple, en des signaux sonar ou de télévision; des informations de navigation (dont le débit est faible, de l'ordre de quelques dizaines de bauds), toujours à partir du véhicule sous-marin, pour rendre compte de ses évolutions, des conditions de navigation rencontrées, etc.; enfin des informations à débit encore plus faible, du bateau vers le véhicule sous-marin, pour lui définir, lui préciser, voire lui modifier sa mission en fonction des informations reçues du fond.

On peut également, toujours à partir du câble 3, connaissant l'immersion du véhicule sous-marin 1, la vitesse de remorquage, la longueur de câble dévidée et la déformée résultante, déterminer la distance horizontale D séparant le véhicule sous-marin 1 du bateau 2. Toutefois, pour le localiser de façon précise, il reste à connaître son gisement par rapport au bateau 1, lequel gisement ne peut que rarement être déterminé de façon satisfaisante avec les moyens acoustiques dont on se sert actuellement, pour les raisons précédemment exposées.

Conformément à l'invention, les moyens optiques prévus pour pallier cette insuffisance comprennent un dispositif E sur le véhicule sous-marin 1 pour émettre un faisceau laser F sortant à la surface de l'eau, et un dispositif R à bord du bateau 2, pour détecter le faisceau F, et indiquer la direction du point d'où il est émis.

Aux Figs. 1 et 2, le faisceau F est dirigé verticalement à partir du dispositif E comportant un émetteur laser proprement dit 4 et un miroir de déflexion 5. La verticalité du faisceau F peut être obtenue en subordonnant l'émission à une condition d'horizontalité de l'assiette du véhicule sous-marin 1.

Toutefois, dans une forme de réalisation préférée, on fait appel à des moyens non montrés, incluant par exemple un gyroscope ou un pendule.

La longueur d'onde est choisie, de préférence, dans la plage de 450 nm, environ, à 550 nm, environ, qui correspond à la fenêtre de moindre atténuation de l'eau de mer. Le faisceau F est étroit et peu divergent, par exemple avec un diamètre à la source au plus égal à 1 cm, et un angle de divergence inférieur à 10-3 radian.

A titre indicatif, le laser peut être du type Nd:YAG doublé (longueur d'onde égale à 532 nm), pompé par diodes laser semi-conductrices.

Lors de l'émission, le faisceau F traverse ainsi le milieu marin sur une distance minimale correspondant à l'immersion du véhicule sous-marin 1. En pratique, cette distance doit rester assez faible car dans les régions côtières où les eaux sont quelquefois relativement turbides, l'absorption peut être assez forte. A l'interface eau-air, le faisceau F traverse avec un bon rendement (de l'ordre de 98% en incidence verticale), et il diffuse ensuite sur les aérosols naturels de l'atmosphère. Si ceux-ci sont jugés insuffisants, on a avantageusement recours à des aérosols artificiels produits à partir du bateau 2 ou du véhicule sous-marin lui-même.

Le dispositif de détection R à bord du bateau 2 doit être apte à indiquer le gisement du faisceau F, soit l'angle e entre la direction d'où provient la lumière réfléchie par les aérosols et l'axe longitudinal
X-X du bateau 2. Dans une forme de réalisation représentée à la Fig. 3, le dispositif R comprend un photodétecteur 6 de type "multivoie", soit un appareil à grand angle de champ formé d'une pluralité de n photodétecteurs correspondant chacun à un angle solide élémentaire de détection : à partir du rang i du détecteur activé par la lumière L provenant du faisceau
F, on déduit le gisement el par rapport à l'axe Y-Y du détecteur, et donc le gisement e par rapport à l'axe du bateau 2.

En variante, la lumière L du faisceau F passe dans une lentille 8, Fig. 4, pour former une image I sur un plan focal sensible 9. L'angle el entre la direction L d'où provient la lumière et l'axe Y-Y du photodétecteur 7 est déduit du décalage transversal de l'image I par rapport à l'axe médian du plan 9. Dans les deux cas, le photodétecteur 6 ou 7 est monté apte à pivoter autour d'un axe vertical, et l'angle de gisement e du véhicule sous-marin 1 par rapport à l'axe longitudinal X-X du bateau 2 est donc la somme des angles el et e2.

Dans une autre forme de réalisation, le dispositif de détection R, non montré, ne comporte qu'un seul photodétecteur à angle de champ très étroit, monté pivotant autour d'un axe vertical, et pourvu de moyens d'entraînement lui permettant d'effectuer un balayage jusqu'à ce qu'il rencontre le faisceau F. De préférence, des moyens d'asservissement maintiennent alors l'accrochage du photodétecteur sur le faisceau F. Par rapport aux deux premières, cette troisième forme de réalisation présente l'avantage de pouvoir disposer, à coût égal, d'un détecteur plus sensible.

Pour minimiser les erreurs dues notamment aux vagues à la surface de l'eau, la détermination du gisement sera établie en formant la moyenne d'une séquence de mesures effectuées sur une période donnée.

En pratique, on peut s'attendre à une précision de l'ordre de 0,20. De plus, le rapport signal-bruit pourra être optimisé, en prévoyant un filtre optique en tête du photodétecteur, centré sur la longueur d'onde utilisée (avec h= 1 nm pour un filtre interférentiel, par exemple). D'autre part, on aura également intérêt à moduler le faisceau F en amplitude et, en choississant une fréquence f assez basse, de l'ordre de quelques centaines de Hz, à effectuer une détection synchrone à la réception. Enfin, et toujours en vue d'augmenter le rapport signal-bruit, le photodétecteur à bord du bateau 2 sera placé le plus haut possible, de manière à observer le faisceau F en ayant comme "toile de fond" la mer, à priori moins lumineuse que le ciel.

Outre le gisement, les moyens de l'invention permettent de déterminer la distance horizontale D séparant le véhicule sous-marin 1 du bateau 2. I1 faut pour cela moduler le faisceau laser F. Après calibration précise du retard introduit par le câble 3 pour transmettre un signal du véhicule sous-marin 1 au bateau 2, on peut déterminer la différence de temps d'arrivée entre l'impulsion lumineuse et un signal synchrone transmis par le câble 3. La somme dudit retard et de cette différence donne le temps mis par l'impulsion lumineuse pour effectuer le trajet vertical jusqu'à la surface de l'eau, puis de là jusqu'au photodétecteur.

Connaissant l'immersion du véhicule sous-marin 1, les vitesses de la lumière dans l'eau et dans l'air, il est facile de déduire la distance D.

Cette possibilité de calculer la distance D avec les moyens optiques de l'invention prend un intérêt particulier pour des opérations où le véhicule sous-marin 1 n'est plus relié au bateau 2 mais navigue de façon autonome, ce qui est le cas lorsqu'il est affecté à la protection du bateau lui-même (détection de mines) et doit, pour cela, le précéder. Dans ce cas, le retard entre réception et émission de l'impusion lumineuse est mesuré au moyen de deux horloges synchrones embarquées à bord du véhicule sous-marin 1 et du bateau 2.

A noter que le faisceau laser F peut également servir à transmettre des informations de bas débit du véhicule sous-marin 1 vers le bateau 2, telles que des informations de navigation : il suffit pour cela de prévoir une plage de modulation en fréquence autour de la fréquence f sus-mentionnée. En l'absence de câble de remorquage, il y a ainsi possibilité d'entretenir une communication bidirectionnelle entre le bateau 2 émettant sur un canal acoustique basse fréquence et le sous-marin 1 émettant par le faisceau laser en restant, lui, acoustiquement discret.

Les Figs. 2a et 2b illustrent une autre façon d'opérer, selon laquelle le faisceau F n'est plus émis verticalement, mais obliquement, juste au-delà de l'angle de réfraction totale, de façon à ne sortir de l'eau que très légèrement incliné par rapport à l'horizontale, pour venir rencontrer directement les moyens photodétecteurs du bateau 2. Par ailleurs, les caractéristiques du faisceau F, en ce qui concerne la longueur d'onde, la modulation, etc., restent les mêmes.

Le dispositif E d'émission du faisceau laser F comporte donc, de préférence, des moyens pour régler l'inclinaison du faisceau F entre l'angle de réfraction totale et la verticale. L'émetteur E comporte aussi d'autres moyens lui permettant d'effectuer un balayage horizontal. En fonctionnement, dans une phase préliminaire, le dispositif E procède à ce balayage horizontal, combiné si besoin est avec un balayage vertical, jusqu'à ce que le faisceau F rencontre les moyens détecteurs du bateau 2. Une information est alors envoyée du bateau 2 au sous-marin 1 (par l'intermédiaire du câble de remorquage 3 s'il est présent, ou par une liaison acoustique à basse fréquence) pour l'avertir que l'orientation du faisceau F est bonne.

I1 est prévu un asservissement pour maintenir l'accrochage du faisceau F, une fois qu'il a été établi, sur le photodétecteur à bord du bateau 2 affecté au transfert des informations, lequel photodétecteur peut être, par exemple, l'un de ceux illustrés aux Figs. 3 et 4. Dans la forme de réalisation montrée à la Fig. 5, les moyens d'asservissement comprennent deux photodétecteurs secondaires lla, llb placés de chaque côté d'un photodétecteur principal 10, et destinés à produire un signal d'erreur algébrique lorsqu'ils reçoivent la lumière du faisceau F, lequel signal est ensuite transmis au véhicule sous-marin 1 et exploité pour corriger l'orientation de l'émetteur E.

Bien entendu, le même asservissement peut être prévu en vertical. Toutefois, un autre moyen d'obtenir un accrochage stable dans cette direction consiste à donner au faisceau une section allongée, par exemple en forme d'ellipse dont l'axe longitudinal est dans un plan vertical.

De préférence, l'émetteur E comporte en outre des moyens pour contrôler la divergence du faisceau F, de manière notamment à augmenter celle-ci dans la phase préalable de recherche des moyens photodétecteurs du bateau 2, puis à la diminuer pour améliorer le rapport signal-bruit lorsque l'accrochage sur le détecteur 10 est réalisé.

Comme précédemment, le gisement e du véhicule sous-marin 1 par rapport à l'axe longitudinal X-X du bateau 2 est obtenu à partir de la direction du faisceau F relevée par le photodétecteur 10. A noter que le gisement e peut également être calculé à partir du cap du véhicule sous-marin 1, du cap du bateau 2 et de l'angle de décalage horizontal de la direction d'émission du dispositif E par rapport à l'axe longitudinal du sous-marin 1, la confrontation des deux résultats permettant de diminuer les risques d'erreur.

Avec un même dispositif selon l'invention, on peut prévoir de conjuguer les deux procédures illustrées respectivement aux Figs. 1 et 2, pour tirer profit au maximum des avantages de l'une et de l'autre : par exemple, la deuxième procédure (faisceau incliné) donnera un meilleur rapport signal-bruit, ce qui sera utile pour déterminer le gisement de façon précise, alors qu'avec la première procédure (faisceau vertical), il sera plus aisé de calculer la distance D et de réaliser une localisation préliminaire à l'accrochage du faisceau F sur les moyens photodétecteurs du bateau 2.

L'invention est d'un intérêt certain, notamment du fait qu'elle convient particulièrement pour des faibles hauteurs d'eau, là ou justement un réel besoin existe et où l'acoustique est le plus défaillante. Un autre avantage important réside en ce que ses moyens de mise en oeuvre sont simples, et qu'en ce qui concerne les équipements de surface, ils peuvent être montés rapidement sur n'importe quel navire, sans que des infrastructures sur la coque soient nécessaires. En outre, pour certaines opérations, il est important que le véhicule sous-marin puisse continuer à communiquer avec la surface en restant acoustiquement discret.

Dans les deux exemples décrits et illustrés aux
Figs 1 et 2, on s'est placé dans le cadre d'opérations de surveillance mettant en jeu un véhicule sous-marin et un bateau de servitude. Néanmoins, le domaine d'application de l'invention ne se limite pas à cela, et on peut très bien envisager que les moyens en surface (photodétecteurs, moyens de traitement d'information, moyens de communication à basse fréquence, etc.) soient à poste fixe, en mer ou sur la côte, dans des zones peu étendues et de grand intérêt telles que des entrées de port.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1) Procédé pour transmettre des informations à partir d'un véhicule sous-marin vers une base de référence en surface, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre, à partir du véhicule sous-marin, un faisceau laser (F) dirigé vers le haut et traversant l'interface eau-air, et à détecter la lumière provenant du faisceau (F) avec des moyens photodétecteurs présents à ladite base de référence, de manière à obtenir des informations portées par le faisceau (F).

2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déterminer le gisement du véhicule sous-marin (1), on choisit des moyens détecteurs aptes à indiquer la direction d'où provient la lumière du faisceau laser (F), et en ce que le faisceau (F) est dirigé de telle façon que cette direction de provenance de la lumière soit également celle du point d'émission du faisceau (F), et donc celle du véhicule sous-marin (1).

3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on émet le faisceau laser (F) verticalement.

4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise des aérosols artificiels pour faciliter la détection du faisceau laser (F).

5) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on dirige le faisceau laser (F) obliquement au voisinage de l'angle de réfraction totale, de manière à ce qu'il ne sorte de l'eau que très faiblement incliné par rapport à l'horizontale, pour être orienté vers les moyens photodétecteurs qui reçoivent directement sa lumière.

6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on module le faisceau (F) pour transmettre des informations à bas débit.

7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on effectue une modulation d'amplitude et en ce qu'on mesure le retard entre réception et émission de l'impulsion lumineuse produite pour déterminer la distance horizontale (D) entre ladite base de référence et le véhicule sous-marin, connaissant l'immersion de celui-ci.

8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on prévoit une modulation à basse fréquence du faisceau laser (F) et une détection synchrone à la réception pour améliorer le rapport signal-bruit.

9) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on émet le faisceau laser (F) dans le bleu-vert.

10) Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble (E) sur le véhicule sous-marin (1) pour émettre un faisceau laser (F) traversant l'interface eau-air, et un ensemble (R) en surface pour détecter le faisceau (F).

11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble (E) comprend des moyens pour assurer la verticalité du faisceau laser (F).

12) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble (E) comprend des moyens pour régler l'inclinaison du faisceau (F) entre l'angle de réfraction totale et la verticale, ainsi que des moyens pour effectuer un balayage horizontal.

13) Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'ensemble (E) comprend en outre des moyens pour régler la divergence du faisceau (F).

14) Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'ensemble (R) comporte au moins un photodétecteur (6 ou 7) apte à pivoter autour d'un axe vertical.

15) Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que des moyens d'asservissement sont prévus pour maintenir l'accrochage entre le faisceau (F) et les moyens photodétecteurs de l'ensemble (R) une fois que cet accrochage a été réalisé.