WO1991011061A1 - Systeme de communication haut-debit dans un milieu aquatique entre deux stations - Google Patents

Systeme de communication haut-debit dans un milieu aquatique entre deux stations Download PDF

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Gilles Kervern
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    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy

Definitions

  • the present invention relates to high speed communication systems between two stations. More particularly, the invention relates to a high-speed communication system without material transmission medium, for data transmitted in an aquatic environment, for example in sea water, between an autonomous underwater surveillance vehicle piloted by a relay vehicle of area.
  • an immersion surveillance vehicle for example a submarine
  • a relay vehicle for example a ship
  • Acoustic transmission is used in particular to make communications in offshore oil wells.
  • Another application of this type of transmission is the transfer of data between an underwater environment observation vehicle and a surface ship, for scientific purposes.
  • This type of data transmission system has sufficient speed for the analysis of the seabed, for example.
  • this transmission mode is generally limited in bit rate to a few tens of Kbits per second, it proves to be too slow to transmit data coming for example from high resolution sonar, where the volume of data at transmitting is important.
  • An acoustic system for transmitting data in an aquatic environment using a frequency carrier of approximately 50 to 100 kHz has a range of up to 1000 meters for a bit rate of around 20 Kbauds.
  • the present invention aims in particular to overcome these drawbacks.
  • the objective of the invention is to allow high speed data transfer between two stations which is essentially, but not exclusively, applicable in the marine environment, and without material support.
  • This objective, as well as others which will appear subsequently, is achieved thanks to a communication system between two stations, at least one of which is mobile, in particular for communication in the marine environment between an autonomous submerged vehicle and a surface vehicle, characterized in that it comprises means for transmitting high-speed information from the first station to the second, by modulation of a focused optical beam, and in that the second station comprises means for detecting and evaluation of the pointing errors of the received focused optical beam and of the means for transmitting information for correction of the pointing errors towards the first station, by a transmission channel different from the optical transmission channel, the correction information received by the first station piloting corrective repointing means of the optical beam.
  • the channel for transmitting the correction information consists of an acoustic wave.
  • the focused optical beam for transmitting high-speed information consists of a laser beam of fixed frequency, emitting in particular in blue or green.
  • the means for detecting and evaluating pointing errors of the focused optical beam comprise a photodetector cell, in particular with four quadrants, delivering an electrical signal representative of the pointing error of the beam optical with respect to the center of the cell.
  • the acoustic transmission of the correction information is carried out by means of an acoustic transducer integral with the second station, the reception of the acoustic signal being ensured by at least one hydrophone integral with the first station.
  • the hydrophone integral with the first station is associated with a deflection control device for the laser beam, constituted for example by a set of pivoting galvanometric mirrors. It is expected that the first station also includes a second hydrophone allowing rough pointing by a direction finding method. acoustic.
  • the means for transmitting the focused optical beam comprise means for widening the laser beam.
  • the acoustic direction-finding and laser beam widening procedures are controlled in VHF from a third station.
  • a submerged vehicle 1 which may be a submarine, transmits information to a surface building 2 by optical means.
  • This submerged vehicle 1 is located between the bottom 19 of the water and the surface 20.
  • This information can come from a sonar 18, a camera or any other sensor with a large flow rate intended for collecting information.
  • This information is transmitted to a processing unit 14 which controls a module 13 comprising a laser and a pointing system.
  • the data transmission between the submerged vehicle 1 and the surface building 2 is carried out by very high frequency modulation, either in phase or in amplitude, of the laser beam 17.
  • This modulation makes it possible to reach data rates of the order of a few tens of Mbits per second for a range of a few hundred meters.
  • the surface building 2 is equipped with a photodetector cell 11, in particular with four quadrants, placed on the bottom of the building 2.
  • This photodetector cell 11 has two functions: it transmits the information emitted by the laser from submarine 1 to a processing unit
  • This processing unit 12 and also provides this processing unit 12 with an electrical signal representative of the laser beam pointing error with respect to the center of the cell.
  • This error signal is coded by the processing unit 12 and modulates an electrical pulse which is transmitted by acoustic signal 6 supplied by an acoustic transducer 5 placed at the bottom of the building 2 to at least one hydrophone 16, placed on the submerged vehicle.
  • the electrical signal coming from the hydrophone 16 is decoded and the processing unit 14 controls the pointing system 13 which comprises a device for deflecting the laser beam which may in particular consist of a set of galvanometric pivoting mirrors.
  • the laser beam 17 is then deflected and remains pointed at the center of the photodetector cell 11 which continues to receive information: the system is therefore controlled.
  • This system makes it possible to work with a very little divergent laser beam without the optical transmission being cut.
  • a second hydrophone 15 is also provided, mounted on the submerged vehicle 1 to allow rough pointing by a conventional method of acoustic direction-finding.
  • This second hydrophone 15 is used in particular for the acoustic attachment phase during the launching of the submerged vehicle 1 and the commissioning of the relay station 2, in order to achieve the position control between these two stations 1 , 2 " .
  • the direction-finding procedures and broadening of the laser beam are controlled by VHF 7 from a support boat 3.
  • the data transmitted optically by the submerged vehicle 1 to the surface vehicle 2 are transmitted in VHF 8 to the support boat 3.
  • the support boat 3 can thus be very far from the relay station 2, the VHF link between these two buildings continuously informing the support boat 3 of the information transmitted by the submerged vehicle 1.
  • Position control between stations 1 and 2 can be facilitated by the use of a sub-surface vehicle 2, of which only the transmitting and receiving antenna 10 would not be submerged under the surface 20 of the water, so as to reduce the movements of this vehicle 2 due to the swell and thus allow a better pointing of the laser beam 17 on the photodetector cell 11.
  • a good optical transmission in water is obtained by laser emitting in blue or green. To obtain the greatest possible range with lasers of only a few Watts, especially in troubled waters, it is necessary to have a laser beam as convergent as possible and that is why it is necessary to ensure the pointing of the beam between the transmitter and the receiver. The finer the laser beam, the greater the transmitted power.
  • the noise power is equal to 10 W.
  • the signal to noise ratio is therefore 130 dB which corresponds to 30 lengths d attenuation, the attenuation length being that corresponding to an attenuation equal to 10 log e, ie 4.3 dB.
  • the attenuation length is around 10 meters and the maximum range of the laser beam is therefore 300 meters. For this range, the acoustic correction transmission is carried out for example with a frequency of the order of 100 KHz.
  • the laser is modulated at very high frequency, since the carrier corresponds to a light frequency, making it possible to obtain flow rates greater than 1 Megabits / s.
  • the transmission and control system according to the invention can be independent of the support boat 3, the various commands serving for position control and for establishing communication being in this case controlled directly by the vessel. surface or sub-surface 2.
  • the system can also be applied to the transmission of data in the marine environment between a first fixed station and a second mobile station and those skilled in the art can imagine other applications within the scope of this invention.

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Abstract

La présente invention se rapporte aux systèmes de communication haut débit entre deux stations. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de communication entre deux stations dont une au moins est mobile, notamment pour la communication en milieu marin entre un véhicule autonome immergé (1) et un véhicule de surface (2), comprenant des moyens d'émission (13) d'informations à haut débit de la première station (1) vers la deuxième (2), par modulation d'un faisceau optique (17) focalisé, la deuxième station (2) comprenant des moyens (11) de détection et d'évaluation des erreurs de pointage dudit faisceau optique (17) focalisé reçu et des moyens d'émission (5, 12) d'une information de correction (6) desdites erreurs de pointage en direction de ladite première station (1), par un canal acoustique de transmission, ladite information (6) de correction reçue par la première station (1) pilotant des moyens de repointage correctif dudit faisceau optique (17).

Description

Système de communication haut-débit dans un milieu aquatique entre deux stations
La présente invention se rapporte aux systèmes de communication haut débit entre deux stations. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de communication haut-débit sans support matériel de transmission, pour des données transmises en milieu aquatique, par exemple en eau de mer, entre un véhicule autonome de surveillance sous-marin piloté par un véhicule relais de surface.
De façon connue, la transmission de données entre un véhicule de surveillance en immersion, par exemple un sous-marin, et un véhicule relais, par exemple un navire, est réalisée par méthode acoustique.
La transmission acoustique est notamment utilisée pour réaliser des communications dans les puits de forage pétroliers off-shore. Une autre application de ce type de transmission est le transfert de données entre un véhicule d'observa¬ tion d'un milieu sous-marin et un navire de surface, dans des buts scientifiques. Ce type de systèmes de transmission de données possède un débit suffisant pour l'analyse de fonds marins par exemple. En revanche, du fait que ce mode de transmission est généralement limité en débit à quelques dizaines de Kbits par seconde, il s'avère trop lent pour transmettre des données provenant par exemple d'un sonar à haute résolution, où le volume de données à transmettre est important. Un système acoustique de transmission de données en milieu aquatique utilisant une porteuse de fréquence de 50 à 100 KHz environ a une portée pouvant aller jusqu'à 1 000 mètres pour un débit d'environ 20 Kbauds. Ce débit est trop faible pour transmettre de nombreuses données en peu de temps et ne convient donc pas par exemple à la transmission d'images à haute définition. Cet inconvénient limite sérieusement la qualité des informations transmises et un grand nombre de mesures ou d'observations ne peuvent être réalisées et transmises au navire de surface à cause de cette limitation de débit.
La présente invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients. L'objectif de l'invention est de permettre un transfert de données à haut débit entre deux stations essentiellement, mais non exclusivement, applicable en milieu marin, et ce sans support matériel. Cet objectif, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, est atteint grâce à un sytème de communication entre deux stations dont une au moins est mobile, notamment pour la communication en milieu marin entre un véhicule autonome immergé et un véhicule de surface, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'émission d'informations à haut débit de la première station vers la deuxième, par modulation d'un faisceau optique focalisé, et en ce que la deuxième station comprend des moyens de détection et d'évaluation des erreurs de pointage du faisceau optique focalisé reçu et des moyens d'émission d'une information de correction des erreurs de pointage en direction de la première station, par un canal de transmission différent du canal de transmission optique, l'information de correction reçue par la première station pilotant dès moyens de repointage correctif du faisceau optique.
Préférentiellement, le canal de transmission de l'information de correction est constitué par une onde acoustique. Avantageusement, le faisceau optique focalisé de transmission des informations à haut débit est constitué par un faisceau laser de fréquence fixe, émettant notamment dans le bleu ou le vert.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de détection et d'évaluation des erreurs de pointage du faisceau optique focalisé comprennent une cellule photodétectrice, notamment à quatre quadrants, délivrant un signal électrique représentatif de l'erreur de pointage du faisceau optique par rapport au centre de la cellule.
Avantageusement, la transmission acoustique des informations de correction est réalisée au moyen d'un transducteur acoustique solidaire de la deuxième station, la réception du signal acoustique étant assurée par au moins un hydrophone solidaire de la première station.
Préférentiellement, l'hydrophone solidaire de la première station est associé à un dispositif de commande de déflexion du faisceau laser, constitué par exemple par un jeu de miroirs pivotants galvanométriques. On prévoit que la première station comprend également un deuxième hydrophone permettant un pointage grossier par une méthode de goniométrie acoustique.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens d'émission du faisceau optique focalisé comportent des moyens d'élargissement du faisceau laser. Préférentiellement, les procédures de goniométrie acoustique et d'élargissement du faisceau laser sont commandées en VHF à partir d'une troisième station.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre illustratif et non limitatif, et de la figure unique annexée représentant le système de transmission selon l'invention appliqué à la communica¬ tion entre un véhicule immergé et un véhicule de surface télécommandé à partir d'un bateau support.
Un véhicule immergé 1, pouvant être un sous-marin, transmet des informations à un bâtiment de surface 2 par voie optique. Ce véhicule immergé 1 se situe entre le fond 19 de l'eau et la surface 20. Ces informations peuvent provenir d'un sonar 18, d'une caméra ou de tout autre capteur à débit important destiné à recueillir des informations. Ces informations sont transmises à une unité de traitement 14 qui pilote un module 13 comprenant un laser et un système de pointage. La transmission des données entre le véhicule immergé 1 et le bâtiment de surface 2 est réalisée par modulation à très haute fréquence soit en phase, soit en amplitude, du faisceau laser 17.
Cette modulation permet d'atteindre des débits d'informations de l'ordre de quelques dizaines de Mbits par seconde pour une portée de quelques centaines de mètres.
La transmission se fait suivant un canal de transmission 17 rectiligne et suivant une direction 4. Le bâtiment de surface 2 est équipé d'une cellule photo- détectrice 11, notamment à quatre quadrants, placée sur le fond du bâtiment 2. Cette cellule photodétectrice 11 a deux fonctions : elle transmet les informations émises par le laser à partir du sous-marin 1 à une unité de traitement
12 et fournit également à cette unité de traitement 12 un signal électrique représentatif de l'erreur de pointage du faisceau laser par rapport au centre de la cellule. Ce signal d'erreur est codé par l'unité de traitement 12 et module une impulsion électrique qui est transmise par signal acoustique 6 fourni par un transducteur acoustique 5 placé au fond du bâtiment 2 à au moins un hydrophone 16, placé sur le véhicule immergé 1.
Le signal électrique provenant de l'hydrophone 16 est décodé et l'unité de traitement 14 commande le système de pointage 13 qui comprend un dispositif de déflexion du faisceau laser pouvant notamment consister en un jeu de miroirs pivotants galvanométriques. Le faisceau laser 17 est alors défléchi et reste pointé au centre de la cellule photodétectrice 11 qui continue à recevoir des informations: le système est donc asservi.
Ce système permet de travailler avec un faisceau laser très peu divergent sans que la transmission optique soit coupée.
On prévoit également un deuxième hydrophone 15 monté sur le véhicule immergé 1 pour permettre un pointage grossier par une méthode classique de goniométrie acoustique. Ce deuxième hydrophone 15 sert notamment pour la phase d'accrochage acoustique lors de la mise à l'eau du véhicule immergé 1 et de la mise en service de la station relais 2, afin de réaliser l'asservissement de position entre ces deux stations 1, 2". II est également prévu la possibilité d'élargir le faisceau laser 17 en cas de perte de contact optique entre les stations 1 et 2. Dans le cas d'une télécommande à distance de la station relais 2, les procédures de goniométrie et d'élargissement du faisceau laser sont commandées en VHF 7 à partir d'un bateau support 3.
Celui-ci possède une antenne 9 lui permettant de communiquer avec la station relais 2 également équipée d'une antenne 10.
Les données transmises par voie optique par le véhicule immergé 1 au véhicule de surface 2 sont transmises en VHF 8 au bateau support 3.
Le bateau support 3 peut ainsi être très éloigné de la station relais 2, la liaision VHF entre ces deux bâtiments renseignant continuellement le bateau support 3 des informations émises par le véhicule immergé 1.
L'asservissement de position entre les stations 1 et 2 peut être facilité par l'utilisation d'un véhicule sub-surface 2, dont seule l'antenne 10 d'émission et de réception ne serait pas immergée sous la surface 20 de l'eau, de façon à réduire les mouvements de ce véhicule 2 dus à la houle et ainsi permettre un meilleur pointage du faisceau laser 17 sur la cellule photodétectrice 11. Une bonne transmission optique dans l'eau est obtenue par laser émettant dans le bleu ou le vert. Pour obtenir une portée la plus grande possible avec des lasers de quelques Watts seulement, notamment en eaux troubles, il est nécessaire d'avoir un faisceau laser le plus convergent possible et c'est pourquoi il faut assurer le pointage du faisceau entre l'émetteur et le récepteur. Plus le faisceau laser sera fin, plus la puissance transmise sera importante.
Par exemple, un laser Néodyne YAG doublé, de longueur d'onde L = 532 nm et de puissance 10 Watts peut être utilisé pour une telle application. Pour un signal détectable au niveau du photodétecteur de l'ordre de 10 W/Hz, dans une bande de 100 MHz, la puissance de bruit vaut 10 W. Le rapport signal sur bruit est donc de 130 dB ce qui correspond à 30 longueurs d'atténuation, la longueur d'atténuation étant celle correspondant à une atténuation égale à 10 log e soit 4,3 dB. Pour une eau du large, la longueur d'atténuation vaut environ 10 mètres et la portée maximale du faisceau laser est donc de 300 mètres. Pour cette portée, la transmission acoustique de correction est réalisée par exemple avec une fréquence de l'ordre de 100 KHz.
Le laser est modulé à très haute fréquence, puisque la porteuse correspond à une fréquence lumineuse, permettant d'obtenir des débits supérieurs à 1 Mégabits/s.
Bien entendu, le système de transmission et d'asservissement selon l'invention peut être indépendant du bateau support 3, les différentes commandes servant à l'asservissement de position et à l'établissement de la communication étant dans ce cas commandées directement par le bâtiment de surface ou de sub¬ surface 2.
Le système peut également s'appliquer à la transmission de données en milieu marin entre une première station fixe et une seconde station mobile et l'homme du métier pourra imaginer d'autres applications rentrant dans le cadre de cette invention.

Claims

REVENDICATIONS 1. Sytème de communication entre deux stations dont une au moins est mobile, notamment pour la communication en milieu marin entre un véhicule autonome immergé (1) et un véhicule de surface (2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'émission (13) d'informations à haut débit de la première station (1) vers la deuxième (2), par modulation d'un faisceau optique (17) focalisé, et en ce que la deuxième station (2) comprend des moyens (11) de détection et d'évaluation des erreurs de pointage dudit faisceau optique (17) focalisé reçu et des moyens d'émission (5, 12) d'une information de correction (6) desdites erreurs de pointage en direction de ladite première station (1), par un canal de transmission différent du canal de transmission optique, ladite information (6) de correction reçue par la première station (1) pilotant des moyens de repointage correctif dudit faisceau optique (17).
2. Système de communication selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit canal de transmission de ladite information (6) de correction est constitué par une onde acoustique.
3. Système de communication selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit faisceau optique (17) focalisé d'émission desdites informations à haut débit est constitué par un faisceau laser de fréquence fixe, émettant notamment dans le bleu ou le vert.
4. Système de communication selon l'une quelconque des revendications
1 à 3 caractérisé en ce que lesdits moyens (11) de détection et d'évaluation des erreurs de pointage dudit faisceau optique (17) focalisé comprennent une cellule photodétectrice (11), notamment à quatre quadrants, délivant un signal électrique représentatif de l'erreur de pointage dudit faisceau optique (17) par rapport au centre de ladite cellule.
5. Système de communication selon l'une quelconque des revendications
2 à 4 caractérisé en ce que ladite transmission acoustique des informations de correction (6) est réalisée au moyen d'un transducteur acoustique (5) solidaire de la deuxième station (2), la réception dudit signal acoustique (6) étant assurée par au moins un hydrophone (16) solidaire de la première station (1).
6. Système de communication selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit hydrophone (16) solidaire de la première station (1) est associé à un dispositif (13,14) de commande de déflexion du faisceau laser, constitué par exemple par un jeu de miroirs pivotants galvanométriques.
7. Système de communication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la première station (1) comprend également un deuxième hydrophone (15) permettant un pointage grossier par une méthode de goniométrie acoustique.
8. Système de communication selon l'une quelconque des revendications
1 à 7 caractérisé en ce que lesdits moyens (14) d'émission dudit faisceau optique (17) focalisé comportent des moyens d'élargissement du faisceau laser.
9. Système de communication selon l'une quelconque des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que lesdites procédures de goniométrie acoustique et d'élargissement du faisceau laser sont commandées en VHF (7) à partir d'une troisième station (3).
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