FR2731866A1

FR2731866A1 - Antenne acoustique lineaire a balayage electronique

Info

Publication number: FR2731866A1
Application number: FR9502921A
Authority: FR
Inventors: Pierre Capitaine
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1996-09-20
Anticipated expiration: 2015-03-14
Also published as: FR2731866B1

Abstract

L'invention concerne les antennes acoustiques linéaires dont le diagramme de rayonnement peut être balayé en site de manière électronique. Elle consiste à associer chaque transducteur (101) d'une telle antenne à des moyens de retard et de déphasage (202-212) fonctionnant de manière simultanée. Les déphasages et les retards ainsi apportés sont étagés de manière régulière pour chaque transducteur. Le diagramme de rayonnement ainsi obtenu présente un ensemble de lobes répartis entre un site maximal et un site minimal, chaque lobe correspondant à une fréquence répartie entre une fréquence maximale et une fréquence minimale. Elle permet d'insonifier de manière complète le milieu marin tout en minimisant le niveau du signal réverbéré.

Description

La présente invention se rapporte aux antennes acoustiques linéaires dont on peut régler l'inclinaison des faisceaux d'émission etlou de réception par balayage électronique.

Les antennes acoustiques, plus particulièrement celles destinées aux sonars, sont formées d'un ensemble de capteurs, plus particulièrement de transducteurs maintenus par une structure dans des emplacements bien déterminés. Ces transducteurs peuvent recevoir des signaux électriques et émettre des ondes acoustiques, ou à l'inverse recevoir des ondes acoustiques et générer des signaux électriques. On connaît plus particulièrement les antennes linéaires, dans lesquelles les transducteurs sont répartis le long d'une structure rectiligne, par exemple à l'intérieur d'un tube. Une telle antenne linéaire peut-être soit remorquée horizontalement derrière un bateau tracteur, soit suspendue verticalement, par exemple à une bouée, ou même éventuellement être tendue entre deux points fixes en présentant un angle quelconque par rapport à la verticale.Une telle antenne linéaire est par exemple utilisée pour la prospection pétrolière.

Dans la description suivante, on se limitera aux antennes d'émission pour simplifier l'exposé, mais il est bien entendu que l'invention s'étend aux antennes fonctionnant en réception, par simple application inverse des procédés décrits ci-après.

Dans une telle antenne linéaire, I'émission s'effectue selon un diagramme de rayonnement présentant une symétrie de révolution autour de l'axe de l'antenne et qui est formé de lobes plus ou moins inclinés sur l'axe de cette antenne.

Pour faciliter l'exposé, on parlera d'une inclinaison en site des lobes par rapport à l'axe de l'antenne, ce qui suppose que l'antenne est maintenue verticale, mais le raisonnement s'applique quelle que soit la position de l'antenne par rapport à cette verticale.

On essaye souvent d'obtenir un diagramme présentant un lobe principal unique relativement fin plus ou moins incliné en site, de manière à avoir une émission directive selon l'axe de ce lobe. Pour cela, le plus simple est d'utiliser des transducteurs répartis régulièrement le long de l'axe de l'antenne, et d'alimenter ces transducteurs avec des signaux identiques mais déphasés ou retardés les uns par rapport aux autres selon une loi permettant d'obtenir un lobe orienté selon le site souhaité. Plus le nombre de transducteurs est grand, et plus le lobe est fin, mais plus le nombre de lobes secondaires est élevé. Pour atténuer le niveau de ces lobes secondaires, on sait utiliser une pondération d'amplitude pour alimenter les différents transducteurs.

La solution connue jusqu'à ce jour pour modifier le site du lobe principal d'émission consiste à modifier les retards ou les déphasages appliqués aux signaux d'alimentation des transducteurs. Dans les réalisations analogiques, où l'on utilise généralement un amplificateur de puissance unique pour alimenter les différents transducteurs, on est confronté à des difficultés de réalisation des lignes à retards et des déphaseurs réglables qu'il faut alors utiliser. En outre ces appareils sont alors encombrants et coûteux.Dans les réalisations numériques, que l'on utilise de plus en plus, on peut générer facilement pour chaque transducteur pris individuellement un signal convenablement retardé ou déphasé, mais il faut alors utiliser pour chaque transducteur un convertisseur numériquelanalogique et un amplificateur de puissance associé, ce qui fait perdre les avantages de simplification obtenus au niveau des lignes en retard ou des déphaseurs.

Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose une antenne acoustique linéaire à balayage électronique, comprenant un ensemble de transducteurs répartis de manière équidistante sur un axe , et des moyens d'alimentation de ces transducteurs, principalement caractérisée en ce que ces moyens d'alimentation comprennent pour chaque transducteur des moyens de retard et des moyens de déphasage ; les valeurs des retards et des déphasages ainsi obtenus étant de chaque transducteur au suivant les multiples entiers successifs d'un retard et d'un déphasage élémentaires qui permettent d'obtenir pour un ensemble de fréquences comprises entre une valeur minimale et une valeur maximale un diagramme de rayonnement formé d'un ensemble de lobes répartis entre un site maximal et un site minimal, chacun de ces lobes correspondant à une des dites fréquences.

Selon une autre caractéristique, les transducteurs sont séparés d'une distance d, les sites maximal et minimal déterminent un cône d'ouverture +1- AS et la vitesse du son dans le milieu considéré est égal à C, et le retard élémentaire et le déphasage élémentaire sont donnés par:
d Fmax + Fmin
#= .sin(#S)
C Fmax-Fmin
Selon une autre caractéristique, I'antenne est destinée à émettre un signal acoustique, et le premier transducteur est alimenté à partir d'un signal unique d'émission S(t) à travers un premier module de retard en série avec un premier module de déphasage, le transducteur immédiatement adjacent est alimenté à partir du même signal à travers un deuxième module de retard et un deuxième module de déphasage identiques aux deux premiers et mis en série avec ces deux premiers, et ainsi de suite ; chaque transducteur étant alimenté par un module de retard et un module de déphasage identiques à tous les autres et connectés à la sortie du module de retard et du module de déphasage alimentant le transducteur immédiatement précédent.

Selon une autre caractéristique, I'antenne comprend en outre un ensemble de moyens de réglage du niveau des signaux appliqués aux différents transducteurs, pour minimiser les lobes secondaires du diagramme de rayonnement obtenu.

Selon une autre caractéristique, I'antenne est destinée à être utilisée en réception, et comprend un premier module de retard et un premier module de déphasage alimentés par le premier transducteur de réception un deuxième module de retard et un deuxième déphaseur identiques aux deux premiers et recevant le signal du transducteur immédiatement adjacent au premier transducteur et le signal de sortie des moyens de retard et de déphasage du signal du premier transducteur, et ainsi de suite; chaque transducteur étant relié à un module de déphasage et à un module de retard identiques à tous les autres et eux-mêmes relié à la sortie du module de déphasage et du module de retard du transducteur immédiatement précédent, et les derniers modules de déphasage et de retard de la chaîne ainsi constituée étant connectés à un ensemble de filtres permettant de séparer les fréquences réparties entre Fmin et Fmax pour obtenir des signaux de réception dans les lobes du diagramme répartis entre le site minimal et le site maximal.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent:
- La figure 1, une vue schématique d'une antenne selon l'art connu;
- La figure 2, une vue schématique d'une antenne d'émission selon l'invention;
- La figure 3, une vue schématique d'une antenne de réception selon l'invention.

On a représenté sur la figure 1 le schéma d'une antenne linéaire connue comportant N transducteurs 101 régulièrement répartis le long de l'antenne, avec une distance intertransducteurs d. Ces transducteurs sont alimentés à partir d'une source non représentée par un signal s(t) et par l'intermédiaire d'un ensemble de circuits de retard 102, qui permettent d'obtenir des retards successifs: 0, #, 2#, ..., (N-1)#.

Lorsque la valeur du retard élémentaire T est égale à: r =sin(e (1 )
C on obtient un diagramme de rayonnement comportant un lobe principal incliné selon l'angle de site O donné par cette formule (1).

Ce dispositif est particulièrement utilisable lorsque le signal s(t) est à large bande, ce qui est notamment le cas lorsque ce signal est composé d'impulsions de courte durée.

Lorsque le signal s(t) est à faible bande, plus particulièrement lorsqu'il s'agit d'une fréquence pure émise pendant un temps relativement long (durée grande devant la profondeur de l'antenne) on peut remplacer les circuits de retard 102 par de simples déphaseurs apportant des déphasages de valeurs successives 0,#, 2#..., (N-1)# avec une valeur du déphasage élémentaire # donnée par:
d
q > = 2nF- sin( (2)
C
Pour une valeur de q > donnée, on peut constater que le site O et la fréquence F du signal d'émission sont liés par la relation: F.sin(#) = Cte (3)
En faisant donc varier la fréquence F, on fait varier l'angle e de site d'émission.Si l'on a une somme de signaux de fréquences pures on obtient un ensemble de lobes d'émission, correspondant chacun à une seule fréquence, répartis selon un ensemble de sites dont l'angle est donné par la relation (2).

Selon une terminologie connue, on effectue ainsi une dispersion en site des signaux d'émission.

La présence de ce jeu de déphaseurs, nécessaires pour pouvoir obtenir la dispersion souhaitée, impose une limite inférieure non nulle à la valeur de l'angle de site. En effet, pour que l'angle e soit nul il faudrait, selon la relation (3), que la fréquence F soit infinie, ce qui est impossible. Une autre manière d'exprimer cela consiste à remarquer que pour une fréquence finie on ne peut obtenir un site nul qu'avec des déphasages tous égaux à zéro, ce qui ne permettrait pas alors d'obtenir la dispersion souhaitée.

Pour surmonter ce problème, I'invention propose d'utiliser simultanément pour chaque hydrophone un circuit à retard et un déphaseur correspondants au retard et au déphasage définis ci-dessus.

Les valeurs du déphasage élémentaire q > et du retard élémentaire T seront alors choisies pour obtenir, compte tenu de la bande de fréquence utilisée, située entre Fmin et Fmax, et de l'ouverture du cône, compris entre un site maximal + AS et un site minimal -#S, de la manière suivante:
Pour la voie correspondant à la fréquence minimale F min et au site minimal - AS, (p et T doivent satisfaire à l'équation: d
-2#Fmin#+#=-2#Fmin sin(#S) (4)
C
Pour la voie correspondant à la fréquence maximale Fmax et au site maximal + AS, on doit avoir: d
-2#Fmax#+#=2#Fmax sin(#S) (5)
C
En résolvant ce système d'équations, on obtient alors les valeurs de T et de (p qui sont données par::
d Fmax + Fmin
#= - . .sin(#S) (6)
C Fmax-Fmin
4#d FminxFmax
#= - . . sin(#S) (7)
C Fmax-Fmin
En utilisant donc des dispositifs à retard et des déphaseurs correspondant à ces valeurs T et de q > on obtient, outre les deux voies extrêmes ayant permis de déterminer ces valeurs, une voie en site nul qui est obtenue pour une fréquence F0 donnée par
FminxFmax
F0=2. (8)
Fmax + Fmin
De même le site Sc de la voie correspondant à la fréquence centrale de la bande d'émission est donné par::

<tb> S, <SEP> = <SEP> Fmax <SEP> inun <SEP> .sin(S) <SEP> (9)
<tb>
L'intérêt de l'invention résidant essentiellement dans la possibilité de fabriquer un système entièrement analogique, on utilisera de préférence des lignes à retard et des déphaseurs du type analogique. Par exemple les lignes à retard seront du type LARAD et les déphaseurs du type formé à partir de filtres actifs, pour lesquelles le déphasage peut être constant sur une largeur d'un octave.

Lorsque le niveau du signal est faible1 on peut réaliser de tels dispositifs avec des moyens simples et d'un encombrement faible, de l'ordre de quelques centimètres cubes.Ceci amène dans le cas d'une antenne de réception à disposer les lignes à retard et les déphaseurs juste en sortie des transducteurs, et donc avant même les pré-amplificateurs généralement utilisés dans ce cas.

Le signal d'entrée s(t) sera composé d'impulsions de longueurs suffisamment grandes pour ne pas obtenir une bande passante, due à la modulation par ces impulsions, telle que l'on vienne élargir de manière excessive les lobes correspondants à chaque impulsion.

En effet l'étalement en bande d'une impulsion, même constituée d'une fréquence unique, entraîne par l'effet de dispersion propre à l'invention un élargissement du lobe correspondant à la fréquence utilisée pour former l'impulsion. On pourra jouer sur ce paramètre en fonction des résultats souhaités, et par exemple s'arranger pour que cet élargissement du lobe fasse que les différents lobes créés en utilisant des impulsions de fréquences différentes, elles-mêmes successives ou simultanées dans le temps, déterminent finalement des lobes qui se recouvrent à trois décibels.

On pourra aussi utiliser une seule impulsion relativement longue, modulée en fréquence de telle manière que le signal à l'intérieur de cette impulsion couvre toute la bande comprise entre Fmin et Fmax. Le faisceau obtenu balayera alors l'ensemble des sites compris entre Smin et Smax.

Pour que ce dispositif fonctionne alors bien avec de tels signaux, il est souhaitable que le facteur de qualité Q des transducteurs soit suffisamment faible afin qu'ils laissent passer tous les signaux compris entre
Fmin et Fmax, et que par ailleurs la durée de l'émission soit supérieure à la profondeur électrique de l'antenne, dont on sait qu'elle est donnée par la formule
= Nd (10)
m' C
Pour fabriquer une antenne, qu'elle soit d'émission ou de réception, il y a intérêt à minimiser le nombre de modules différents à utiliser.Dans ces conditions, comme tous les retards sont des multiples d'un retard élémentaire T et tous les déphasages des multiples d'un déphasage élémentaire (p, on utilisera de préférence, comme représenté sur la figure 2, un seul modèle de dispositif de retard élémentaire 202 permettant d'obtenir un retard élémentaire 1, et un seul modèle de déphaseur élémentaire 212 permettant d'obtenir un retard élémentaire (p.

Le premier transducteur 101 de l'antenne sera alimenté directement à travers un module 202 mis en série avec un module 212. Le deuxième transducteur sera alimenté à travers deux tels modules, eux-mêmes alimentés à partir de la sortie des deux modules alimentant le premier transducteur. Le troisième transducteur sera lui-même alimenté à partir de deux tels modules, eux-mêmes alimentés à partir de la sortie des modules d'alimentation du deuxième transducteur, et ainsi de suite...

En outre on pourra utiliser des dispositifs permettant de régler le gain du signal appliqué sur chaque transducteur. Ces dispositifs 203, qui pourront être par exemple des amplificateurs à gains ajustables, ou des atténuateurs eux-mêmes ajustables, permettront, en modifiant de manière connue le niveau des signaux appliqués sur les transducteurs, de diminuer le niveau des lobes secondaires inévitables.

A titre d'exemple, une telle antenne comprenant 16 transducteurs, répartis de manière équidistante avec un pas de 0,25 m entre chaque transducteur, permet d'obtenir les faisceaux suivants, dirigés selon des sites en fonction de la fréquence
22 à son Hz,
1,8 à 2000 Hz,
-9,5 à 2500 Hz,
-17,7 à 3000 Hz.

Comme on l'a expliqué au début de cette description, I'invention s'applique également au cas des antennes de réception, selon un schéma représenté par exemple sur la figure 3.

Dans ce cas le signal d'émission du sonar est omnidirectionnel et s'étend dans la bande de fréquence Fmin-Fmax. A la réception, les signaux provenant des échos de ce signal d'émission sur les obstacles à détecter sont reçus par les transducteurs 301. Les signaux électriques provenant de ces transducteurs sollicités par les signaux acoustiques traversent alors un ensemble de dispositifs à retard 302 et de déphaseurs 312 connectés en échelle d'une manière inverse à celle de la figure 2.

Ceci permet de délivrer finalement un signal électrique ayant subi le traitement correspondant à l'invention. Celui-ci comprend des signaux étagés depuis Fmin jusqu'à Fmax, correspondant chacun à une voie de réception dans le site déterminé par la fréquence correspondante. Ces signaux sont séparés dans un banc de filtres 303 connectés en parallèle à la sortie du dernier module de retard et qui permettent chacun de séparer la fréquence correspondant au site déterminé. On obtient alors en sortie de chacun de ces filtres un signal R(t) qui indique la présence ou l'absence de l'écho dans la voie correspondante.

En émission, ce système permet d'améliorer la détection active en combinant les avantages des sources directives et des sources omnidirectionnelles.

En effet, on minimise ainsi le volume insonifié par chaque fréquence d'excitation élémentaire, ce qui permet ainsi, de manière connue pour toutes les sources directives, de limiter le niveau du signal réverbéré par le volume insonifié.

En outre le fait d'émettre simultanément plusieurs fréquences dans des voies différentes en site permet d'obtenir, comme avec une source omnidirectionnelle, une bonne insonification du milieu, et donc une meilleure probabilité d'insonifier des objets dont on souhaite obtenir des échos.

Claims

REVENDICATIONS

1) Antenne acoustique linéaire à balayage électronique, comprenant un ensemble de transducteurs (101) répartis de manière équidistante sur un axe, et des moyens d'alimentation de ces transducteurs, caractérisée en ce que ces moyens d'alimentation comprennent pour chaque transducteur des moyens de retard (202) et des moyens de déphasage (212); les valeurs des retards et des déphasages ainsi obtenus étant de chaque transducteur au suivant les multiples entiers successifs d'un retard (X) et d'un déphasage ((p) élémentaires qui permettent d'obtenir pour un ensemble de fréquences comprises entre une valeur minimale et une valeur maximale un diagramme de rayonnement formé d'un ensemble de lobes répartis entre un site maximal et un site minimal, chacun de ces lobes correspondant à une des dites fréquences.
2) Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les transducteurs sont séparés d'une distance d, les sites maximal et minimal déterminent un cône d'ouverture +1-AS et la vitesse du son dans le milieu considéré est égal à C, caractérisé en ce que le retard élémentaire et le déphasage élémentaire sont donnés par:

d Fmax+Fmin

#= - . .sin(#S)

C Fmax-Fmin

4#d FminxFmax

#= - ..sin(#S)

C Fmax-Fmin
3) Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, destinée à émettre un signal acoustique, caractérisée à ce que le premier transducteur (101) est alimenté à partir d'un signal unique d'émission S(t) à travers un premier module de retard (202) en série avec un premier module de déphasage (212), que le transducteur immédiatement adjacent est alimenté à partir du même signal à travers un deuxième module de retard et un deuxième module de déphasage identiques aux deux premiers et mis en série avec ces deux premiers, et ainsi de suite ; chaque transducteur étant alimenté par un module de retard et un module de déphasage identiques à tous les autres et connectés à la sortie du module de retard et du module de déphasage alimentant le transducteur immédiatement précédent.
4) Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un ensemble de moyens de réglage (310) du niveau des signaux appliqués aux différents transducteurs (101), pour minimiser les lobes secondaires du diagramme de rayonnement obtenu.
5) Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, destinée à être utilisée en réception, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier module de retard (302) et un premier module de déphasage (312) alimentés par le premier transducteur de réception (301), un deuxième module de retard et un deuxième déphaseur identiques aux deux premiers et recevant le signal du transducteur immédiatement adjacent au premier transducteur et le signal de sortie des moyens de retard et de déphasage du signal du premier transducteur, et ainsi de suite; chaque transducteur étant relié à un module de déphasage et à un module de retard identiques à tous les autres et eux-mêmes relié à la sortie du module de déphasage et du module de retard du transducteur immédiatement précédent, et les demiers modules de déphasage et de retard de la chaîne ainsi constituée étant connectés à un ensemble de filtres (303) permettant de séparer les fréquences réparties entre Fmin et Fmax pour obtenir des signaux de réception dans les lobes du diagramme répartis entre le site minimal et le site maximal.