FR2727520A1

FR2727520A1 - Passive acoustic detection system for hostile underwater torpedoes

Info

Publication number: FR2727520A1
Application number: FR8217744A
Authority: FR
Inventors: Pierre Sabathe
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1982-10-22
Publication date: 1996-05-31
Also published as: GB8327952D0

Abstract

The passive sonar array installed in a large surface vessel (1) detects any source (30) of noise reflected only once from the sea bed (31) within the angular sector bounded by extreme rays (21, 22).A circular planar array of hydrophones forms a mesh of squares of side equal to half of the wavelength at the centre frequency (eg. 1 kHz) forms as many channels as are necessary to survey a zone of the required radius throughout 360 deg. of azimuth. In 3500 m (H) of water, an inclination (alpha) of 46 deg. gives a range of 7.1 km.

Description

SYSTEME PASSIF DE DETECTION DE TORPILLES
L'objet de la présente invention est un système acoustique de détection passive de torpilles. Ce système est monté sur un bateau de surface de moyen ou gros tonnage en particulier non équipé de système de détection acoustiques, et est destiné à détecter des torpilles sur tout l'horizon, et dans un rayon de quelques kilomètres, c'estdire en zone proche. La fréquence d'écoute est de quelques centaines de Hz. Ce système est particulièrement étudié pour être opérationnel sur les fonds océaniques.PASSIVE TORPEDO DETECTION SYSTEM
The object of the present invention is an acoustic system for passive torpedo detection. This system is mounted on a surface boat of medium or large tonnage in particular not equipped with acoustic detection system, and is intended to detect torpedoes over the entire horizon, and within a radius of a few kilometers, that is to say in the area close. The listening frequency is a few hundred Hz. This system is particularly designed to be operational on the ocean floor.

Dans le domaine de la lutte anti sous-marine, un dispositif de surveillance pour torpilles doit permettre de détecter, classifier, localiser les torpilles ennemies avec un faible taux de fausse ahrme à une distance suffisante pour permettre au bateau de parer à la menace. Un ordre de grandeur de la distance minimum de détection est de 5 km et 100 secondes le délai minimum de préavis. De manière générale les sytèmes passifs sont préférés aux systèmes actifs car leurs émissions sonores peuvent être utilisées comme moyen de guidage par les torpilles ennemies. In the field of anti-submarine warfare, a torpedo surveillance device must make it possible to detect, classify and locate enemy torpedoes with a low rate of false ahrma at a sufficient distance to allow the boat to counter the threat. An order of magnitude for the minimum detection distance is 5 km and 100 seconds the minimum notice period. In general, passive systems are preferred to active systems because their sound emissions can be used as a means of guidance by enemy torpedoes.

Les systèmes de détection de torpilles connus utilisent un sonar passif. Known torpedo detection systems use passive sonar.

Les systèmes existants utilisent l'antenne du sonar passif monté sur le bateau. Ce sonar est soit un sonar de coque, soit un sonar remorqué. Dans le cas d'un sonar de coque, un inconvénient important provient du masquage arrière par les hélices qui empêche une surveillance sur 360-. Un wtre inconvénient est la limitation de portée due à des conditions bathythermiques défavorables, par exemple l'été en méditerranée. Existing systems use the passive sonar antenna mounted on the boat. This sonar is either a hull sonar or a towed sonar. In the case of a hull sonar, an important drawback stems from the aft masking by the propellers which prevents 360-degree surveillance. Another drawback is the limitation of range due to unfavorable bathythermal conditions, for example summer in the Mediterranean.

Le sonar remorqué pallie ces deux inconvénients mais a d'importantes contraintes d'installation et de mise en oeuvre. The towed sonar overcomes these two drawbacks but has significant installation and implementation constraints.

Le dispositif suivant l'invention a l'avantage de permettre une surveillance sur tout l'horizon sans nécessiter une antenne remorquée. L'antenne passive a son plan parallèle à la surface dEe la mer et les torpilles, détectées par réflexion sur le fond de h mer, sont repérées en gisement et en distance par formation de voies angulaires très inclinées vers le fond de la mer. The device according to the invention has the advantage of allowing surveillance over the entire horizon without requiring a towed antenna. The passive antenna has its plane parallel to the surface of the sea and the torpedoes, detected by reflection on the seabed, are located in bearing and in distance by the formation of angular paths very inclined towards the seabed.

Brièvement c'est un système de détection passive panoramique de bruiteurs, notamment de torpilles pour bateaux quil comporte une antenne de réception, des moyens de traitement des signaux reçus par les hydrophones composant l'antenne permettant de localiser le bruiteur par les ondes acoustiques émises par ces bruiteurs réfléchies sur le fond de la mer et reçues par cette antenne. Briefly, it is a panoramic passive detection system for noise makers, in particular torpedoes for boats, which it includes a receiving antenna, means for processing the signals received by the hydrophones making up the antenna making it possible to locate the noise maker by the acoustic waves emitted by these noisemakers reflected on the bottom of the sea and received by this antenna.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent:
- figure 1, une vue schématique d'un sonar passif avec formation de voies;
- figure 2, une vue d'une antenne circulaire comportant des transducteurs disposés suivant des mailles;
- figures 3 et 4, une vue en élévation et une vue de dessus des zones d'interception du système, suivant l'invention;
- figure 5, un exemple de chaîne de traitement et de visualisation du système, suivant l'invention.Other characteristics and advantages will emerge from the description which follows, illustrated by the figures which represent:
- Figure 1, a schematic view of a passive sonar with channel formation;
- Figure 2, a view of a circular antenna comprising transducers arranged in mesh;
- Figures 3 and 4, an elevational view and a top view of the system interception zones, according to the invention;
- Figure 5, an example of a system processing and display chain, according to the invention.

La figure 1 représente un exemple de réalisation de l'antenne d'écoute passive 10, du système de surveillance suivant l'invention. FIG. 1 represents an exemplary embodiment of the passive listening antenna 10, of the monitoring system according to the invention.

Cette antenne 10 est montée dans la coque 1, d'un bateau de surface généralement de grand tonnage. Audessus de Pantenne on place un réflecteur 16. On a représenté, à titre d'exemple, une antenne plane formée d'un réseau de transducteurs-récepteurs ou hydrophones.This antenna 10 is mounted in the hull 1, of a surface boat generally of large tonnage. Above Pantenne, a reflector 16 is placed. There is shown, by way of example, a flat antenna formed by a network of transducers-receivers or hydrophones.

L'intervalle entre l'antenne 10 et h coque 1 est rempli huile ou d'eau de mer pour assurer la transmission acoustique. L'antenne peut également être incurvée pour épouser le fond du bateau et former ainsi une antenne dite conforme. The interval between the antenna 10 and hull 1 is filled with oil or sea water to ensure acoustic transmission. The antenna can also be curved to match the bottom of the boat and thus form a so-called conforming antenna.

Suivant la réalisation préférée, l'antenne 10 est formée d'un réseau plan d'hydrophones 1 1 de forme circulaire et tel que quatre hydrophones adjacents H. sur la figure 2, forment une maille carrée de côté égal à )r/2, h étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'écoute, une disposition en quinconce peut également être utilisée. According to the preferred embodiment, the antenna 10 is formed of a plane array of hydrophones 1 1 of circular shape and such that four adjacent hydrophones H. in FIG. 2, form a square mesh of side equal to) r / 2, h being the wavelength corresponding to the central listening frequency, a staggered arrangement can also be used.

Les signaux acoustiques reçus par tous les hydrophones sont traités de manière connue dans un ensemble de circuits pour former des voies. Ces voies ont des directions très inclinées vers le fond et sont formées simultanément. Leur nombre est fonction de la zone de surveillance à couvrir. The acoustic signals received by all hydrophones are processed in a known manner in a set of circuits to form channels. These tracks have very inclined directions towards the bottom and are formed simultaneously. Their number depends on the surveillance area to be covered.

Le lobe de rayonnement 12 d'une voie préformée peut être repéré par ses coordonnées sphériques Cp (gisement de Paxe 23, projection de l'axe du lobe sur le plan horizontal) et Oc (inclinaison de l'axe du lobe par rapport à la verticale). Son ouverture à -3 dB est définie par les largeurs angulaires orthogonales 9 et 4. The radiation lobe 12 of a preformed channel can be identified by its spherical coordinates Cp (Pax deposit 23, projection of the lobe axis on the horizontal plane) and Oc (inclination of the lobe axis relative to the vertical). Its opening at -3 dB is defined by the orthogonal angular widths 9 and 4.

Sur la figure 3 on a représenté schématiquement le secteur angulaire délimité par une voie en coupe transversale. On a supposé pour simplifier une propagation rectiligne des deux rayons sonores extrêmes 21 et 22. Un bruiteur 30 situé dans ce secteur est détecté par le bateau après une seule réflexion sur le fond de la mer 31. En supposant le bateau immobile, sur un fond donné de hauteur H chaque secteur couvre une zone Zv à l'immersion I du bruiteur tel que représenté sur la figure 4 en vue de dessus. Cette zone a la forme d'une ellipse dont les axes d1 et d2 se déduisent des largeurs angulaires fl et t pour un angle d'inclinaison oc donné. In Figure 3 there is shown schematically the angular sector delimited by a channel in cross section. For simplicity, it has been assumed that there is a rectilinear propagation of the two extreme sound rays 21 and 22. A buzzer 30 located in this sector is detected by the boat after a single reflection on the bottom of the sea 31. Assuming the boat is motionless, on a background given height H each sector covers a zone Zv at the immersion I of the noise generator as shown in FIG. 4 in top view. This zone has the shape of an ellipse whose axes d1 and d2 are deduced from the angular widths fl and t for a given angle of inclination oc.

Si D est le diamètre de l'antenne de réception 10 les largeurs angulaires Q1 et t sont respectivement égales à environ #D et
1 égales NID
> /Dcos cC. If D is the diameter of the receiving antenna 10 the angular widths Q1 and t are respectively equal to approximately #D and
1 equal PID
> / Dcos cC.

Par des considérations géométriques simples, on obtient: d1 = ssl (2H - I)/cos oC

By simple geometrical considerations, we obtain: d1 = ssl (2H - I) / cos oC

On forme autant de voies qu'il est nécessaire pour couvrir une zone de surveillance de rayon R sur 360- en gisement. La zone 13 en aplomb du bateau n'est pas couverte du fait des mauvaises conditions de réception dû au bruit propre rayonné par le bateau et réfléchi sur le fond à la verticale. As many channels are formed as necessary to cover a surveillance zone of radius R over 360- in deposit. The vertical zone 13 of the boat is not covered due to the poor reception conditions due to the own noise radiated by the boat and reflected on the bottom vertically.

A une zone v couverte par une voie correspond une distance
Rv connue à + d2/2 près. I1 est donc possible avec ce système d'évaluer les distances R v pour l'ensemble des voies et donc de déterminer la distance d'un bruiteur.A zone v covered by a track corresponds to a distance
Rv known to within + d2 / 2. It is therefore possible with this system to evaluate the distances R v for all of the channels and therefore to determine the distance from a buzzer.

La figure 5 montre, à titre d'exemple, un schéma des chaînes de traitement et de la visualisation, suivant l'invention. FIG. 5 shows, by way of example, a diagram of the processing and display chains, according to the invention.

Les signaux sl, ... si ... sN reçus par les hydrophones H1, ... Hi, sont HN, sont appliqués à des circuits de filtrage 51 fournissant ks signaux filtrés S1, ... Si, ... qui sont appliqués à des circuits de formation de voies 52. On forme ainsi K voies en site avec L valeurs en gisement. Cette formation de KL voies V1,... VPQ, ... VKL est obtenue de facon connue par compensation des retards géométriques pour chaque voie. Ces retards # pour une voie VPQ de coordonnées sphérique αP et #Q dépendent de la position de l'hydrophone Hi.Si l'antenne est plane U dépend des coordonnées xi et yi de l'hydro-
I I phone Hi (figure 2).The signals sl, ... if ... sN received by the hydrophones H1, ... Hi, are HN, are applied to filtering circuits 51 providing ks filtered signals S1, ... Si, ... which are applied to track formation circuits 52. K is thus formed in elevation with L values in bearing. This formation of KL channels V1, ... VPQ, ... VKL is obtained in a known manner by compensating for the geometric delays for each channel. These delays # for a channel VPQ of spherical coordinates α P and #Q depend on the position of the hydrophone Hi. If the antenna is plane U depends on the coordinates xi and yi of the hydro-
II phone Hi (Figure 2).

Les signaux d'hydrophones filtrés Si sont par exemple écrêtés et les voies formées, suivant une technique connue à partir de mémoires numériques dans lesquelles on vient écrire et lire les échantillons des signaux d'hydrophones échantillonnés et multiplexés, les adresses de lecture étant fonction des retards gémis triques. The filtered hydrophone signals Si are for example clipped and the channels formed, according to a known technique from digital memories in which the samples of the hydrophone signals sampled and multiplexed are read and read, the reading addresses being a function of the triumphant groan delays.

En plus du filtrage, les signaux des hydrophones sont pdérés en amplitude, de manière à abaisser les lobes secondaires du diagramme de rayonnement dans le plan vertical, à un niveau tel que les signaux acoustiques reçus par le trajet direct soient suffisamment atténués vis-à-vis des signaux reçus par les trajets refit chois sur le fond, ce qui contribue à élargir légèrement #2. Les signaux de voies V sont détectés puis intégrés dans des circuits S.P. Le temps d'intégration Tp est adapté au temps de séjour de la torpille dans chaque voie, il peut atteindre plusieurs dizaines de secondes ce qui conduit à stabiliser les voies préformées en roulis, tangage et lacet. La table des retards à corriger doit être entre tenue par un calculateur recevant les informations de cap et de verticale du bateau. L'ensemble des signaux de voies traités est envoyé sur un dispositif de visualisation 55, où les bruiteurs sont représentés en coordonnées polaires, le rayon correspondant à h distance Rp du bruiteur et l'angle polaire à l'angle d'azimuth
Cette représentation est appelée P.P.I. dans la littérature angkF saxonne. Le niveau de brillance à l'affichage est proportionnel à l'amplitude. Un calculateur 54 fournit les valeurs de Rp et de Tp en fonction de l'angle d'inclinaison oC p de la voie correspondante et de la hauteur des fonds H dont la valeur est fournie en permanence par un sondeur acoustique 53.Le calculateur 54 recevant la valeur de la profondeur H et la valeur otp de l'angle de site calcule Rp d'après la relation:
Rp = 2 H tg oCp et le temps d'intégration Tp, appliqué aux circuits d'intégration tels aue 5.P d'agrès la relation (1)

où V est la vitesse moyenne estimée d'une torpille et ou dans la géométrie considérée, on a négligé I devant 2H..In addition to the filtering, the signals from the hydrophones are amplified, so as to lower the secondary lobes of the radiation pattern in the vertical plane, to a level such that the acoustic signals received by the direct path are sufficiently attenuated with respect to screw signals received by the chosen refit paths on the bottom, which helps to slightly widen # 2. The channel signals V are detected then integrated into circuits SP The integration time Tp is adapted to the residence time of the torpedo in each channel, it can reach several tens of seconds which leads to stabilize the channels preformed in roll, pitch and yaw. The delay table to be corrected must be maintained by a computer receiving the heading and vertical information from the boat. All of the processed channel signals are sent to a display device 55, where the noise sources are represented in polar coordinates, the radius corresponding to h distance Rp from the noise source and the polar angle to the azimuth angle
This representation is called PPI in the Saxon angkF literature. The brightness level on the display is proportional to the amplitude. A computer 54 supplies the values of Rp and Tp as a function of the angle of inclination oC p of the corresponding channel and the height of the bottoms H, the value of which is permanently supplied by an acoustic depth finder 53. the value of the depth H and the value otp of the angle of elevation calculates Rp according to the relation:
Rp = 2 H tg oCp and the integration time Tp, applied to integration circuits such as the 5.P of the relationship (1)

where V is the estimated average speed of a torpedo and or in the geometry considered, I neglected I before 2H.

Le système suivant l'invention présente l'avantage d'etc de révolution et de ne requérir qu'à des moyens classiques en technique de sonar passif. De plus, il fournit la distance des bruits. The system according to the invention has the advantage of etc of revolution and of requiring only conventional means in passive sonar technique. In addition, it provides the distance of the noises.

Les angles d'incidences étant grands par rapport à hri- zontale, la courbure des rayons sonores est peu importante et ks variations de propagation dues aux conditions bathythermiques sont faibles. Le choix de la fréquence centrale du sytème permet aux ondes ultrasonores de traverser la coque du bateau et donc de placer les hydrophones à l'intérieur de celle-ci. Pour cela l'épaisseur de la coque doit être très faible vis-à-vis de la longueur d'onde ultrasonore dans la coque. The angles of incidence being large with respect to horizontal, the curvature of the sound rays is small and the variations in propagation due to the bathythermal conditions are small. The choice of the central frequency of the system allows the ultrasonic waves to pass through the hull of the boat and therefore to place the hydrophones inside it. For this, the thickness of the shell must be very small vis-à-vis the ultrasonic wavelength in the shell.

Des fréquences de l'ordre de quelques centaines de Hz con- viennent. A titre d'exemple, une coque d'acier de 3 cm d'épaisseur représente 6/1000 de la longueur d'onde à la fréquence de 1000 Hz. Frequencies of the order of a few hundred Hz are suitable. For example, a steel shell 3 cm thick represents 6/1000 of the wavelength at the frequency of 1000 Hz.

En outre une fréquence centrale de fonctionnement pas trop élevée limite les pertes de propagation par absorption et par réflexion sur le fond. Typiquement la fréquence centrale d'écoute sera de 1000
Hz. Aux fréquences basses le bruit de trafic lointain se propageant à l'horizontale, il ne vient pas gêner la détection par suite du faible niveau des lobes secondaires.In addition, a central operating frequency which is not too high limits the propagation losses by absorption and by reflection on the bottom. Typically the central listening frequency will be 1000
Hz. At low frequencies, the noise of distant traffic propagating horizontally, it does not interfere with detection due to the low level of the secondary lobes.

Pour déterminer la portée du dispositif suivant l'invention, on utilise "I'équation sonar" en décibels pour un sonar passif, avec les notations internationales. To determine the range of the device according to the invention, the "sonar equation" is used in decibels for a passive sonar, with international ratings.

Cette equation fournit les pertes de transmission admissibles
TL par la relation : TL = SL + #F + 5 log (WT) - NL + DI- DT oô, SL est le niveau spectral d'émission du bruiteur, PF l'index de réflexion sur le fond, W est la bande passante, T le temps d'inté- gration, NL la densité spectrale du bruit ambiant, M lrmdex de directivité à la réception et DT le seuil de détection correspondant au couple de probabilité de détection et de fausse alarme souhaité. This equation provides allowable transmission losses
TL by the relation: TL = SL + #F + 5 log (WT) - NL + DI- DT oô, SL is the spectral emission level of the noise generator, PF the reflection index on the background, W is the band busy, T the integration time, NL the spectral density of the ambient noise, M lrmdex directivity at reception and DT the detection threshold corresponding to the desired probability of detection and false alarm pair.

A titre d'exemple, on a les données suivantes: - fréquence centrale d'écoute: 1000 Hz - antenne circulaire de 10m de diamètre contenant emiron 180 capteurs et dont l'index de directivité est DI = + 26 dB - bande de réception W = 750 Hz - durée d'intégration T = 10 sec - niveau de bruit NL = +

- niveau de source SL = +

- coefficient de réflexion g F = -12 dB - seuil de détection DT = + 8 dB correspondant à une probabilité de détection PD = 0,9 et un taux de fausse alarme global de une alarme par heure.For example, we have the following data: - central listening frequency: 1000 Hz - circular antenna 10m in diameter containing around 180 sensors and whose directivity index is DI = + 26 dB - reception band W = 750 Hz - integration time T = 10 sec - noise level NL = +

- source level SL = +

- reflection coefficient g F = -12 dB - detection threshold DT = + 8 dB corresponding to a probability of detection PD = 0.9 and an overall false alarm rate of one alarm per hour.

L'équation sonar donne pour TL égal environ 80 dB ce qui correspond à un parcours de 10000 m. Pour un fond de 3500 m cela correspondrait à une inclinaison du trajet réfléchi de 46- par rapport à la verticale et à une portée horizontale de 7100 m. A une telle distance le temps de séjour dans la voie dune torpille naviwt à SO noeuds est de 150 secondes tandis qu'à faible distance le temps de séjour de la torpille dans une voie est de 50 secondes toujours par fond de 3500 m. The sonar equation gives for TL equal about 80 dB which corresponds to a course of 10,000 m. For a background of 3500 m this would correspond to an inclination of the reflected path of 46- relative to the vertical and to a horizontal range of 7100 m. At such a distance the dwell time in the track of a naviwt torpedo at SW knots is 150 seconds while at a short distance the dwell time of the torpedo in a track is 50 seconds always at 3500 m bottom.

Les largeurs angulaires en degrés à demi-puissance en site et en gisement #1 et #2 sont égales pour cet exemple numérique à 9- et à 9 /cos αp. The angular widths in degrees at half power in elevation and in reservoir # 1 and # 2 are equal for this numerical example to 9- and 9 / cos α p.

Dans ces conditions on couvre 360- en gisement en formant 40 voies en gisement pour 4 valeurs de dp variant de 20 à 70 . A chacune de ces couronnes de 40 voies correspond L temps drmté- gration Tp adapté au temps de séjour de la torpille dans le lobe, donc variant avec l'angle ocp et la profondeur du fond, suivant h relation (2). In these conditions we cover 360- in deposit by forming 40 channels in deposit for 4 dp values varying from 20 to 70. Each of these 40-channel crowns corresponds to the time of integration Tp adapted to the residence time of the torpedo in the lobe, therefore varying with the ocp angle and the depth of the bottom, according to relation (2).

La plage de fréquences de réception s'étend de 750 à 1500 Hz, les hydrophones sont par exemple échantillonnés toutes les 32 us, ce qui permettra une compensation des retards géométriques à + 16 garantissant de faibles niveaux des lobes secondaires. The reception frequency range extends from 750 to 1500 Hz, the hydrophones are for example sampled every 32 us, which will allow compensation for geometric delays at + 16 guaranteeing low levels of the secondary lobes.

Le système est avantageusement complété par un système d'alerte automatique, non représenté, fonctionnant par dépas- sements de seuils au niveau des signaux de voies V . fl permet d'éviter la présence permanente d'un opérateur. The system is advantageously supplemented by an automatic warning system, not shown, operating by exceeding thresholds at the level of the V channel signals. fl avoids the permanent presence of an operator.

Claims

1. A passive panoramic detection system for noise makers, in particular torpedoes for boats, characterized in that it comprises a receiving antenna (10), means for processing the signals received by the hydrophones (Hi) which make up the Pantenne component (10) making it possible to locate the noise makers by the acoustic waves emitted by these noise makers, reflected on the sea bottom (31) and received by this antenna (10).

2. Detection system according to claim 1, characterized in that the means for processing the signals received (Si) by the hydrophones (Hi) comprise channel formation circuits (S2) whose mean directions are very inclined towards the background.

3. Detection system according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna (10) is planar and circular.

4. Detection system according to claim 3, characterized in that the hydrophones (Hi) form a mesh of c8té substantially equal to 2, where, is the wavelength in the propagation medium at the central listening frequency .

5. Detection system according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna (10) is mounted inside the hull (1) of the boat.

6. Detection system according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna conforms.

7. Detection system according to claim 2, characterized in that the means for forming the channels (S2) comprise weighting circuits of the hydrophone signals (Si) so as to limit k level of the secondary lobes of the directivity of each channel has a value such that detection is not affected by the direct path of the acoustic waves coming from the buzzer.

8. Detection system according to claim 2, characterized in that display means (sus) provide a representation of the noise generators in the azimuth-distance plane, the distance being obtained from the angle of inclination of the channels and by a calculation circuit (54).

9. Detection system according to claim 2, characterized in that the channel signals are integrated over a duration corresponding to the average residence time of a torpedo in a formed channel, the value of this duration TP being supplied by a computer (54) from an estimated value of the speed of a torpedo, the height of the bottom, the value of the angle of inclination of the track and the angular width of the track in the vertical plane

10. Detection system according to claim 1, characterized in that the central listening frequency is equal to a few hundred Hz.

11. Detection system according to claim 2, characterized in that it comprises an automatic alert system by exceeding thresholds at the level of the channel signals.