FR2735873A1

FR2735873A1 - Doppler log emitting modulated pulses with directional reception

Info

Publication number: FR2735873A1
Application number: FR9507589A
Authority: FR
Inventors: Didier Billon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1996-12-27

Abstract

The same linear network of transducers (2, 3) is used to emit the sound towards the bottom of an expanse of water and to receive the echo so as to simultaneously measure its frequency and direction. The emissions are in phase but the reception is allocated separately to each receiver. The pulses are modulated by a pseudo-random sequence of numbers of value +1 and -1 in a Barker code. The bandwidth, B, is chosen so that there are several spaced out zones of depth C/2B within the principal lobe where C is the speed of the waves in the medium. The echo is sampled and the Doppler shift and angle is estimated and a single velocity is calculated from selected zone measurements.

Description

La présente invention se rapporte à un loch Doppler à précision améliorée. The present invention relates to a Doppler log with improved accuracy.

Un loch acoustique permet de mesurer la vitesse d'un véhicule porteur par rapport à une surface de référence, généralement le fond d'une étendue d'eau, sur laquelle le signal est réfléchi. On émet une impulsion sinusoïdale de durée T et de fréquence fO. L'écho est reçu à la fréquence
2V
fO. + f, f étant le décalage Doppler en fréquence, tel que f = C sin 00. fO
c et dont la mesure permet d'obtenir V, 80 étant la direction du faisceau par rapport à la verticale et f0 la fréquence centrale d'émission, et C la vitesse des ondes émises dans le milieu marin.An acoustic loch makes it possible to measure the speed of a carrier vehicle with respect to a reference surface, generally the bottom of a body of water, on which the signal is reflected. A sinusoidal pulse of duration T and of frequency f0 is transmitted. The echo is received at the frequency
2V
fo. + f, f being the frequency Doppler shift, such that f = C sin 00. fO
c and whose measurement makes it possible to obtain V, 80 being the direction of the beam with respect to the vertical and f0 the central transmission frequency, and C the speed of the waves emitted in the marine environment.

Cependant, du fait de l'ouverture Aû du faisceau autour de 80, on a un étalement de la mesure de vitesse qui vaut AV = AO Pour les
tgeo valeurs généralement admises AO = 30 et Oo = 300, on obtient 9%,
v une telle erreur relative sur la vitesse étant un inconvénient certain de ce loch connu.However, due to the opening Au of the beam around 80, there is a spread of the speed measurement which is AV = AO.
tgeo generally accepted values AO = 30 and Oo = 300, we obtain 9%,
such a relative error in speed being a definite disadvantage of this known loch.

Pour réduire l'étalement angulaire de l'écho du fond reçu à un instant, il est connu d'augmenter la résolution temporelle de l'impulsion émise, égale à 1/B pour une impulsion de largeur de bande B, de telle sorte que la case distance sur le fond soit plus petite que la zone insonifiée délimitée par le lobe principal de directivité de l'émission. La résolution en fréquence Doppler est égale à 1fur. Dans les lochs Doppler existants on utilise généralement une impulsion sinusoïdale. On a donc BT = 1, et l'élargissement de la bande pour permettre de séparer plusieurs cases distances à l'intérieur du faisceau de mesure conduit à diminuer T et donc à perdre en résolution Doppler, c'est-à-dire en précision sur la mesure du décalage Doppler faite sur chaque case distance. In order to reduce the angular spreading of the echo of the background received at a given instant, it is known to increase the temporal resolution of the transmitted pulse equal to 1 / B for a pulse of bandwidth B, so that the box distance on the bottom is smaller than the insonified zone delimited by the main lobe of directivity of the emission. The Doppler frequency resolution is 1fur. In existing Doppler loops, a sinusoidal pulse is usually used. So we have BT = 1, and the widening of the band to allow to separate several cases distances inside the measuring beam leads to decrease T and thus to lose in Doppler resolution, that is to say in precision on the Doppler shift measurement made on each distance box.

II est connu en radar et en sonar d'utiliser des codes à grand produit BT et à bonne ambiguïté temps-fréquence, c'est-à-dire tels que la résolution en fréquence Doppler des échos soit 1/T et la résolution des temps d'arrivée soit 1/B avec BT > > 1. Avec un tel code à l'émission, on peut mesurer simultanément avec une bonne précision la distance et la vitesse par rapport aux réflecteurs. It is known in radar and sonar to use codes with high BT product and good time-frequency ambiguity, that is to say such that the Doppler frequency resolution of the echoes is 1 / T and the resolution of the times 1 / B with BT>> 1. With such an emission code, the distance and speed can be measured simultaneously with good accuracy in relation to the reflectors.

La présente invention a pour objet un procédé de mesure à l'aide d'un loch Doppler présentant une erreur relative de mesure de vitesse nettement inférieure à celle du loch connu. The subject of the present invention is a measurement method using a Doppler log having a relative speed measurement error which is significantly lower than that of the known loch.

Le loch Doppler conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un émetteur comprenant des circuits générateurs d'impulsions modulées de largeur de bande B et de durée T telles que le produit B.T soit nettement supérieur à 1, ces impulsions étant modulées de façon à avoir simultanément une résolution Doppler de 1/T et une résolution en temps égale à 1/B, et au moins un récepteur dont l'antenne comprend au moins deux transducteurs alignés en vue de mesurer simultanément la fréquence Doppler et la direction d'arrivée en site de l'écho du fond.Selon une autre caractéristique de l'invention, le même réseau linéaire de transducteurs est utilisé pour émettre un faisceau sonore en direction du fond et recevoir l'écho du fond, L'émission étant obtenue par excitation en phase des transducteurs avec la même impulsion, et la réception étant effectuée séparément sur chaque transducteur. II est également caractérisé par le fait que la largeur de bande B est telle qu'il y a plusieurs cases distances de largeur c/2B à l'intérieur de la zone insonifiée de sol délimitée par le lobe principal de directivité du faisceau d'émission. The Doppler log according to the invention is characterized by the fact that it comprises at least one transmitter comprising modulated pulse generator circuits of B-band width and of duration T such that the product BT is clearly greater than 1, these pulses being modulated so as to simultaneously have a Doppler resolution of 1 / T and a resolution in time equal to 1 / B, and at least one receiver whose antenna comprises at least two aligned transducers in order to simultaneously measure the Doppler frequency and In another characteristic of the invention, the same linear array of transducers is used to emit a sound beam in the direction of the background and to receive the echo of the background, L '. emission being obtained by phase excitation of the transducers with the same pulse, and the reception being performed separately on each transducer. It is also characterized by the fact that the bandwidth B is such that there are several distance cells of width c / 2B inside the insonified zone of ground delimited by the main lobe of directivity of the emission beam .

Le procédé de mesure de vitesse d'un véhicule par rapport à une surface de référence à l'aide d'un loch Doppler, est caractérisé en ce que le loch reçoit les signaux sur au moins deux transducteurs, et que ces signaux sont traités selon les étapes suivantes:
- à chaque instant d'échantillonnage (T):
- estimation d'un décalage Doppler f(X) et d'un angle d'arrivée 8(T)
- mesure de la vitesse V(T)
- à chaque récurrence:
- sélection des valeurs de V(T) qui correspondent aux instants (T) des cases distances à l'intérieur de la zone de sol insonifiée délimitée par le lobe principal du faisceau d'émission
- calcul d'une valeur unique V à partir des mesures sélectionnées. The method of measuring the speed of a vehicle with respect to a reference surface using a Doppler log is characterized in that the log receives the signals on at least two transducers, and that these signals are processed according to the following steps:
- at each sampling instant (T):
- estimation of a Doppler shift f (X) and an arrival angle 8 (T)
- measurement of the speed V (T)
- at each recurrence:
selecting the values of V (T) corresponding to the instants (T) of the distance boxes within the insonified sol area delimited by the main lobe of the emission beam
- calculation of a single value V from the selected measurements.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel:
- la figure 1 est un diagramme montrant les relations géométriques du faisceau émis par une antenne conforme à l'invention, et
- la figure 2 est une vue simplifiée des transducteurs d'un récepteur de loch Doppler conforme à l'invention.The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which:
FIG. 1 is a diagram showing the geometrical relations of the beam emitted by an antenna according to the invention, and
FIG. 2 is a simplified view of the transducers of a Doppler log receiver according to the invention.

Pour mesurer la vitesse à l'aide d'une émission sonar émise selon un axe Ox, on utilise des antennes dont les axes de visée sont dans le plan Oxz (Oz étant la verticale) et symétriques par rapport à la verticale avec laquelle ils forment chacun un angle de valeur 8o connue égale à 30 (voir figure 1). Chaque antenne émet une impulsion et reçoit l'écho correspondant du fond à l'intérieur d'un faisceau acoustique de faible ouverture, typiquement quelques degrés (ce faisceau correspond au lobe principal de directivité de l'antenne). Cette configuration est classique et connue sous le nom de "Janus" dont le principe est exposé par exemple dans la demande de brevet français 93 10389. To measure the speed using a sonar emission emitted along an axis Ox, we use antennas whose axes of sight are in the plane Oxz (Oz being vertical) and symmetrical with respect to the vertical with which they form each an angle of known value 8o equal to 30 (see Figure 1). Each antenna emits a pulse and receives the corresponding echo from the background inside a low-aperture acoustic beam, typically a few degrees (this beam corresponds to the main directivity lobe of the antenna). This configuration is conventional and known under the name of "Janus" whose principle is exposed for example in the French patent application 93 10389.

L'invention réside dans la constitution de chaque antenne, la nature du signal émis par chacune, et la façon dont on obtient une mesure des vitesses par récurrence pour chacune des deux antennes. On considère donc dans la description qui suit une seule antenne, cette description s'appliquant de façon identique à l'autre. The invention lies in the constitution of each antenna, the nature of the signal emitted by each, and the manner in which a measurement of the recurrence velocities for each of the two antennas is obtained. In the following description, therefore, only one antenna is considered, this description applying identically to the other.

Dans la réalisation préférée l'antenne est constituée de N=2 transducteurs de longueur proche de L/2, L étant la longueur de l'ensemble, comme représenté sur la figure 2. A l'émission les deux transducteurs sont excités en phase par le même signal qui est une impulsion s(t) ayant une bonne ambiguïté temps-fréquence. La largeur angulaire du faisceau (angle au sommet dans toutes les directions) à 3 dB d'atténuation du maximum est telle que 118 = AJL. Dans la réalisation préférée il s'agit d'une impulsion à modulation binaire de phase:
s(t) = cos (27tfot) * y(t) avec

In the preferred embodiment, the antenna consists of N = 2 transducers of length close to L / 2, L being the length of the assembly, as shown in FIG. 2. At emission, the two transducers are excited in phase by the same signal which is a pulse s (t) having a good time-frequency ambiguity. The angular width of the beam (vertex angle in all directions) at 3 dB of maximum attenuation is such that 118 = AJL. In the preferred embodiment, it is a phase-modulated pulse:
s (t) = cos (27tfot) * y (t) with

La fonction rT(t) vaut 1 pour i t i < - bT/2 et 0 sinon.Les termes (mk)-K#k#K représentent une séquence pseudo-aléatoire de nombres valant 1 ou -1 choisie pour ses bonnes propriétés d'autocorrélation (codes de Barker par exemple). On a alors B = 1/ 5T et T=(2K+1)#T, soit BT=2K+1. The function rT (t) is 1 for iti <- bT / 2 and 0 otherwise.The terms (mk) -K # k # K represent a pseudo-random sequence of numbers equal to 1 or -1 chosen for its good properties. autocorrelation (Barker codes for example). We then have B = 1 / 5T and T = (2K + 1) #T, which is BT = 2K + 1.

Dans un exemple, K=50, T= 100 Ps, B=10 kHz, T=10 ms.In one example, K = 50, T = 100 Ps, B = 10 kHz, T = 10 ms.

A la réception, les signaux x1 (t) et x2 (t) des deux transducteurs sont reçus séparément, échantillonnés à la fréquence fe > B, B étant la bande de réception, B = 15 kHz dans un exemple. Ils sont reçus à l'intérieur d'une fenêtre temporelle [#min, #max], dite fenêtre de poursuite de fond, qui contient l'écho de la zone du fond interceptée par le faisceau d'émission selon une technique connue.Pour chaque instant d'échantillonnage # à l'intérieur de cette fenêtre, correspondant à la case distance R=c/2, le traitement des signaux suit les étapes suivantes:
Estimation de f (#) et # (#):
XT,l(t) = x1(t)0.y(t - T)
- on forme les signaux et XT,2(t) = x2(t)0.y(t 'r)
- on calcule les transformées de Fourier complexes XT 1 (f),
XT,2 (f) respectivement de X#,1 (t) et X#,2 (t). Elles sont égales aux valeurs à l'instant du maximum de corrélation de la sortie du filtre adapté à l'impulsion émise ayant subi un décalage Doppler f-fO et un retard de propagation T.At the reception, the signals x1 (t) and x2 (t) of the two transducers are received separately, sampled at the frequency fe> B, B being the reception band, B = 15 kHz in one example. They are received inside a time window [#min, #max], called bottom tracking window, which contains the echo of the bottom zone intercepted by the transmission beam according to a known technique. each sampling time # inside this window, corresponding to the distance box R = c / 2, the signal processing follows the following steps:
Estimate of f (#) and # (#):
XT, l (t) = x1 (t) 0.y (t-T)
the signals are formed and XT, 2 (t) = x2 (t) 0.y (t 'r)
the complex Fourier transforms XT 1 (f) are calculated,
XT, 2 (f) respectively of X #, 1 (t) and X #, 2 (t). They are equal to the values at the instant of the maximum correlation of the output of the filter adapted to the emitted pulse having undergone a Doppler shift f-fO and a delay of propagation T.

- on détermine f(T) à partir de la somme des modules des deux spectres B(#,f) = |X#,1 (f)| + |X#,2 (f)| au moyen de la relation:

on détermine #(#) au moyen de la relation:

f (T) is determined from the sum of the modules of the two spectra B (#, f) = | X #, 1 (f) | + | X #, 2 (f) | by means of the relation:

we determine # (#) by means of the relation:

Ce moyen d'estimation n'est donné qu'à titre d'exemple, car il y a d'autres façons connues d'estimer f(T) et 8(T) à partir de X1 (t) et x2(t). This means of estimation is given only as an example, because there are other known ways to estimate f (T) and 8 (T) from X1 (t) and x2 (t) .

Calcul de V(T):
On calcule V(T) au moyen de la relation:
Cf(#) 1
V(#) =
2 sin #(#).fo
Calcul de V
On obtient à chaque récurrence autant de mesures indépendantes V(T) de la vitesse du porteur par rapport au fond qu'il y a de cases distance à l'intérieur du faisceau, soit, sur un fond plat, un nombre approximativement égal à:
##.R.tg#0
M= (cf fig. 1)
C/2B
Cette dernière étape consiste à obtenir une seule mesure de V à partir des M mesures de V(T). Pour cela, on compare à chaque instant d'échantillonnage T le niveau A(T, f(X)) du signal, qui correspond au faisceau formé dans l'axe après filtrage adapté, à un seuil. On ne retient que les mesures aux instants #1, , T tels que le niveau soit supérieur au seuil.Calculation of V (T):
V (T) is calculated by the relation:
Cf (#) 1
V (#) =
2 sin # (#). Fo
Calculation of V
At each recurrence, we obtain as many independent measurements V (T) of the speed of the carrier relative to the bottom as there are distance cells inside the beam, or, on a flat bottom, a number approximately equal to:
##. R.tg # 0
M = (see Fig. 1)
C / 2B
This last step consists of obtaining a single measurement of V from the M measurements of V (T). For this, one compares at each sampling instant T the level A (T, f (X)) of the signal, which corresponds to the beam formed in the axis after adapted filtering, to a threshold. We only retain the measurements at times # 1,, T such that the level is greater than the threshold.

Puis on détermine parmi ces instants les instants consécutifs T min. Ti max tels que

## ##
et#0 - - # 0(#i) # #o + - pour imax # i # imin
2 2
S'il existe plusieurs couples d'indices min, imax satisfaisant les relations ci-dessus, on retient le couple tel que

soit maximal. Dans la réalisation préférée, on prend A(#, f(#)) = |X#,1(f(#)) + X#,2 (f(#))| I
La vitesse V est calculée par la relation:

Then, among these instants, the consecutive instants T min are determined. Ti max such that

## ##
and # 0 - - # 0 (#i) # # + - for imax # i # imin
2 2
If there are several pairs of indices min, imax satisfying the relations above, we retain the pair as

be maximal. In the preferred embodiment, we take A (#, f (#)) = | X #, 1 (f (#)) + X #, 2 (f (#)) | I
The speed V is calculated by the relation:

Claims

1 - Doppler log characterized in that it comprises at least one transmitter comprising modulated pulsed pulse circuits of bandwidth B and of duration T such that the product BT is substantially greater than 1, these pulses being modulated so as to simultaneously having a Doppler resolution of 1fr and a resolution in time equal to 1 / B, and at least one receiver whose antenna comprises at least two aligned transducers (2, 3), in order to simultaneously measure the Doppler frequency and the direction of arrival in site of the echo of the bottom.

2. Doppler log according to claim 1, characterized in that the same linear array of transducers is used to emit a sound beam in the direction of the bottom and to receive the echo from the bottom, the emission being obtained by phase excitation of the transducers with the same pulse, and the reception being performed separately on each transducer

Doppler log according to claim 1 or 2, characterized in that the pulses are modulated by a pseudo-random sequence of numbers equal to 1 or -1.

4. Doppler log according to claim 3, characterized in that the sequence is a Barker code.

5. Doppler log according to one of the preceding claims, characterized in that the bandwidth B is such that there are several distance cells of width C12B inside the insonified zone of ground delimited by the main lobe of emission beam directivity, where C is the velocity of the waves in the propagation medium.

6 - Method for measuring the speed of a vehicle with respect to a reference surface using a Doppler log according to claims 1 and 5, characterized in that the received signals are processed for each sampling instant ( T) according to the following steps:

- estimation of a Doppler shift f (T) and an angle of arrival 8 (T)

measuring the speed V (T),

and for each recurrence:

selecting the values of V (T) corresponding to the instants (T) of the distance boxes within the insonified sol area delimited by the main lobe of the emission beam

- calculation of a single value V from the selected measurements.

7 - Process according to claim 6, characterized in that the speed V (X) is calculated by the relation:

Cf (#) 1

V (#) =

2 sin # (#). Fo where C is the velocity of the waves in the propagation medium, and fo the frequency of the emitted wave.