WO1994020865A1

WO1994020865A1 - Sonar pour detecter les objets enfouis

Info

Publication number: WO1994020865A1
Application number: PCT/FR1994/000032
Authority: WO
Inventors: Christian Labiau
Original assignee: Thomson-Csf
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1994-09-15
Also published as: DE69402696T2; EP0688437B1; FR2702569B1; EP0688437A1; FR2702569A1; DE69402696D1

Abstract

L'invention concerne les sonars permettant de détecter des objets enfouis sous le fond de la mer. Elle consiste à utiliser un sonar paramétrique comprenant une antenne d'émission (103) et une antenne de réception (104) portées par un poisson (101) remorqué sous la surface de l'eau. Les faisceaux de l'antenne d'émission sont émis par rafales séparées spatialement et temporellement. Elle permet d'augmenter la vitesse d'exploration du sonar.

Description

SONAR POUR DETECTER LES OBJETS ENFOUIS

La présente invention se rapporte aux sonars qui permettent de détecter des objets enfouis dans le sol du fond des mers, ou plus généralement d'une étendue d'eau quelconque, par la détection de l'écho d'ondes acoustiques émises par cet appareil.

La principe des sonars est bien connu. Il consiste à émettre une onde acoustique à une fréquence adaptée à la portée et à la précision souhaitée. Cette onde acoustique se propage dans le milieu liquide où elle est émise et peut éventuellement pénétrer à une certaine profondeur dans le sol recouvert par ce milieu liquide. Les objets solides rencontrés renvoient l'onde vers l'appareil émetteur qui comprend aussi un dispositif récepteur permettant de détecter ces échos et de les localiser en fonction de la durée du trajet des ondes et de l'orientation des faisceaux émis et reçus. Les ondes à haute fréquence, et donc à courte longueur d'onde, sont plus faciles à focaliser et permettent d'utiliser des antennes acoustiques plus petites. Elles permettent également une plus grande précision sur la localisation en distance, en relation avec la longueur d'onde. Par contre leur atténuation est beaucoup plus grande dans l'eau et la portée est réduite en conséquence, sauf à utiliser des puissances excessives difficilement concevables. II arrive fréquemment que les objets reposant sur le fond de la mer et que l'on cherche à repérer avec les sonars soient en fait enfouis sous les sédiments accumulés au cours des ans, en particulier lorsqu'il s'agit d'épaves. Il serait donc très utile de pouvoir utiliser des ondes acoustiques de grande longueur d'onde dans ce but et de les émettre à partir d'un poisson remorqué à proximité du fond. Ceci se heurte au problème de la dimension des antennes qui est difficilement compatible dans le cas de grandes longueurs d'onde avec les dimensions nécessairement réduites d'un poisson remorqué

Les ondes acoustiques à basse fréquence, et donc à grande longueur d'onde, présentent l'avantage d'une atténuation beaucoup plus moins grande et donc une portée beaucoup plus importante. En outre, et corrélativement, elles pénétrent plus profondément dans les sédiments sous-marins, ce qui permet de détecter plus facilement des objets enfouis dans ces sédiments. En contrepartie elles nécessitent l'emploi d'antennes acoustiques d'émission et de réception de grandes dimensions, pour pouvoir focaliser correctement les ondes émises et obtenir la résolution angulaire voulue.

On connaît un procédé permettant de combiner les avantages des ondes acoustiques de courte et de grande longueur d'onde. Ce procédé, appelé mode paramétrique, consiste à émettre simultanément deux faisceaux d'ondes acoustiques à haute fréquence dirigés dans la même direction, en utilisant de préférence les mêmes transducteurs d'émission. En raison des non-linéarités du fluide, l'eau en général, propagateur, ces ondes génèrent des produits d'intermodulation dont celui à la plus faible fréquence, correspondant à la différence des fréquences des ondes émises présente une longueur d'onde beaucoup plus faible que celles des faisceaux d'origine. Cependant cette onde ainsi générée bénéficie des propriétés de focalisation et de directivité des faisceaux à haute fréquence qui l'ont générée, et qui ont pu être émis à partir d'antennes acoustiques de faibles dimensions. Les non-linéarités de l'eau étant faibles le rendement du produit d'intermodulation est lui-même faible, mais compte tenu des différences d'atténuation le gain global est positif. L'onde à basse fréquence ainsi générée peut pénétrer dans les "sédiments, alors que les ondes à haute fréquence génératrices y sont absorbées.

A titre d'exemple, on utilise des fréquences primaires de l'ordre de 120 kHz, qui génèrent par soustraction une fréquence secondaire de l'ordre de 15 kHz dont l'atténuation par rapport à celle des fréquences primaires permet de pénétrer les sédiments du fond marin sur une profondeur d'environ 2m lorsque ce fond est situé à environ 10m de l'émetteur acoustique du sonar, en dépit d'une atténuation de conversion de l'ordre de -30 dB. Pour résoudre ce problème, l'invention propose un sonar selon la revendication 1.

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 de profil d'un poisson portant les antennes d'un sonar selon l'invention ;

- la figure 2, une vue en coupe de ce poisson ;

- la figure 3, une vue en plan du fond marin et des surfaces insonifiées par les faisceaux sonar sur celui-ci ;

- la figure 4, un diagramme de rayonnement en réception et en site ;

- la figure 5, une vue en site de deux faisceaux d'émission symétriques babord/tribord; - la figure 6, un diagramme amplitude/site d'un faisceau d'émission ;

- la figure 7, un diagramme temporel d'émission/réception.

- la figure 8, une vue en site de deux faisceaux d'émission sur un même bord ; et - la figure 9, un diagramme temporel d'émission d'une même rafale.

On a représenté sur la figure 1 une vue de côté d'un poisson remorqué comportant un sonar selon l'invention.

Ce poisson est composé d'un corps 101, d'un diamètre par exemple de 30 cm pour une longueur de 3m, muni d'ailerons et d'une dérive destinée à maintenir sa stabilité. Il comporte en outre une ferrure de remorquage 102 permettant de le tracter sous les eaux. La position de cette ferrure et l'action des ailerons permettent d'obtenir une immersion à une profondeur voulue, éventuellement ajustable par des moyens non décrits mais connus. Le poisson avance donc dans une direction D parallèle à son axe longitudinal, à une altitude au-dessus du fond de la mer de l'ordre de 10m et pouvant par exemple varier entre 4 et 15 m.

Ce poisson comporte à l'arrière une antenne d'émission cylindrique 103 qui vient entourer le corps du poisson sur un secteur d'environ 240° centré vers le bas comme représenté en coupe sur la figure 2. Ceci permet de définir, en sélectionnant par des moyens électroniques appropriés et d'une manière connue les transducteurs d'émission situés dans un secteur d'ouverture de 120° pouvant glisser d'un bord extrême de l'antenne d'émission à l'autre bord extrême, un faisceau d'émission ayant une direction d'émission E pouvant varier dans un secteur d'émission utile de 120° centré sur la verticale vers le bas. Le cas échéant on pourra utiliser une antenne d'émission circulaire de type courant et utilisée par ailleurs pour d'autres besoins formant un anneau complet et dont on n'utilisera que les transducteurs situés sur le secteur de 240°. Le poisson supporte en outre deux antennes de réception latérales linéaire 104, d'une longueur d'environ 2 m, s'étendant le long des deux côtés de la coque vers le bas de celle-ci et adaptées à recevoir les ondes acoustiques basse fréquence renvoyées par les objets à détecter.

Le poisson peut en outre comporter d'autres appareillages qui sortent du cadre de l'invention, en particulier un sonar haute fréquence dont les antennes sont situées elles aussi latéralement le long de la coque, ainsi que des appareils de navigation pour maintenir l'assiette et l'altitude du sonar en mesurant éventuellement les changements de ces paramètres pour en tenir compte dans le traitement des signaux sonars. Dans l'art antérieur, l'antenne d'émission paramétrique émettait des faisceaux étroits angulairement, permettant de faire une cartographie du fond de la mer. Pour éviter le chevauchement des faisceaux et les inconvénients correspondants, ceux-ci étaient émis les uns après les autres avec une séparation temporelle suffisante pour que tous les échos puissent être reçus avant l'émission du faisceau suivant. Ceci limitait bien entendu considérablement la vitesse d'avancement du poisson pour avoir une couverture complète du terrain. Dans la pratique cette vitesse ne pouvait pas dépasser 4 noeuds, ce qui est faible.

Selon l'invention l'antenne d'émission paramétrique émet des faisceaux dont l'ouverture en gisement 2θ3 (plan contenant la direction D selon laquelle le poisson avance) est égale par exemple à 20°,. et l'ouverture en site 2φ3 (plan transversal à la direction D) est égale par exemple à 3,2°. Ces faisceaux sont donc fortement dissymétriques et leur impact sur le fond de la mer a une forme grossièrement en ellipse, comme représenté sur la figure 3. Les différents faisceaux sont contigus et correspondent donc à des zones elles-mêmes contiguës sur le fond, numérotées sur la figure de 1 à 18. En effet compte tenu de l'ouverture en site il faut utiliser dans cet exemple numérique 18 faisceaux sur chaque bord pour couvrir entièrement les secteurs de 60° de large sur chaque bord définis plus haut. Le premier secteur, numéro 1 , est situé sensiblement à la verticale du poisson, et le 18ème à l'extrémité de la zone insonifiée. Comme on s'éloigne de l'antenne d'émission au fur et à mesure que l'on avance dans l'ordre croissant des numéros, la zone insonifiée s'élargie de plus en plus, compte tenu de l'ouverture en gisement. Ainsi pour une altitude H au- dessus du fond de la mer, égale par exemple selon une valeur courante à 15m, le faisceau n° 1 a une longueur sensiblement égale à 5 m et le faisceau n° 18 une longueur sensiblement égale à 10 m.

Comme on l'a vu, il faut émettre les 18 faisceaux sur chaque bord (la figure 3 ne représente qu'un bord) pour couvrir tout le secteur en site de 60° sur ce bord. Afin de pouvoir tracter le poisson à une vitesse maximale, l'invention propose pour diminuer la durée totale de la récurrence correspondant à l'émission de ces 18 faisceaux, de répartir ceux-ci en six rafales de trois faisceaux séparés spatialement en site et en temps pour les faisceaux d'une même rafale et en temps pour les rafales successives.

Les faisceaux seront répartis spatialement de manière à être entrelacés. Dans cet exemple de réalisation la répartition des faisceaux dans les rafales pour un côté sera :

- rafale 1 faisceaux 1-7-13 - rafale 2 faisceaux 2-8-14

- rafale 3 faisceaux 3-9-15

- rafale 4 faisceaux 4-10-16

- rafale 5 faisceaux 5-11-17

- rafale 6 faisceaux 6-12-18. II faut pouvoir séparer à la réception les échos correspondant aux faisceaux bâbord et aux faisceaux tribord.

Pour l'antenne tribord, le diagramme de réception est représenté sur la figure 4 et pour l'antenne bâbord le diagramme est symétrique. Pour les faisceaux les plus éloignés de la verticale, les diagrammes de directivité de chacune des deux antennes de réception effectuent cette séparation.

Dans cet exemple le diagramme permet de séparer les échos provenant des faisceaux situés entre les angles de site φ = 30° (par rapport à l'horizontale) et φ = 70°, c'est-à-dire dans l'exemple décrit les faisceaux 8 à 18. Pour les faisceaux restants, compris donc dans un angle de site d'ouverture 40° centré sur la verticale, et qui sont dans l'exemple décrit les faisceaux 1 à 7 de chaque bord, les diagrammes se recouvrent et on utilise une séparation temporelle à l'émission des impulsions de manière à ce que les échos reçus sur un bord ne puissent pas être confondus avec ceux reçus sur l'autre bord.

Pour cela il faut donc attendre que tous les échos provenant d'un faisceau émis à tribord dans cet angle de site compris entre 70° et 90° et correspondant à des objets enfouis dans le sédiment dans la limite de portée du sonar, soient reçus avant d'émettre à bâbord dans un autre faisceau compris entre 70° et 90°.

On ne s'intéresse en effet pour le sonar paramétrique qu'aux échos provenant des objets enfouis dans le sédiment. Les échos provenant éventuellement d'objets situés entre deux eaux seront repérés par d'autres moyens, par un sonar à haute fréquence porté par le poisson par exemple, et pourront ainsi être éliminés dans le système de traitement des échos du sonar à basse fréquence afin de supprimer les ambiguïtés.

Dans la suite on mettra en indice i les angles φ de manière que φ i = 90° - i x 2φ3. Pour un faisceau φι correspond à 2 distances d2n et d a. On a représenté sur la figure 5 deux faisceaux 503 et 504 bâbord et tribord compris dans le secteur site -70°, 70°. Dans cette figure les rayons limites de ces faisceaux seront définis plus loin. Le faisceau 503 émis par exemple à bâbord doit être séparé du faisceau 504 émis à tribord. Il est nécessaire que le signal éventuellement réémis par un objet enfoui à une profondeur Hs dans le sédiment, sur un rayon correspondant à la distance da ne soit pas couvert par le signal réémis par la surface du fond de la mer (on dit généralement réverbération sur le fond) à une profondeur H par rapport au poisson porteur du sonar, sur un rayon correspondant à la distance d2 Pour éviter un tel masquage on considère généralement qu'il est préférable que le niveau du signal de réverbération soit environ de 15 à 20 dB en dessous du niveau du signal utile soit, compte tenu de l'atténuation dans le sédiment, d'environ 55 à 60 dB en dessous du niveau du signal utile.

On sait en effet que le sédiment atténue le signal et que c'est d'ailleurs ce qui limite la portée du sonar dans le sédiment. Si par exemple le coefficient d'atténuation du sédiment est as = 1dB par longueur d'onde, on aura une atténuation d'au moins 40 dB (aller + retour) pour une profondeur du sédiment Hs = 2 m (la plus utile généralement) à une fréquence d'émission 15 kHz correspondant à une longueur d'onde de 10 cm dans l'exemple numérique décrit.

L'angle de séparation Δφ entre les rayons correspondant aux distances do et di sera donc obtenu par la distance angulaire entre les ouvertures du diagramme d'émission à -3 dB et à -60 dB c'est-à-dire au premier zéro du diagramme. Ceci est représenté sur la figure 6. En se reportant à la figure 7, sur laquelle est figuré en 700 la réverbération du fond, la différence de temps entre la fin de la première émission et le début de l'autre est donnée par : ( I Λ1 S) Δ Jt. = ~2-(dι> - d²> - - c où c est la vitesse du son dans le sédiment. Cet écart de temps est plus facile à calculer à partir de H, Hs, φ et Δφ, avec la formule :

Ceci permet donc de séparer les échos des faisceaux bâbord et tribord de même rang, 1 B et 1 T p.ar exemple, pour i = 1. Le même raisonnement s'applique pour séparer les échos des faisceaux dont le site est inférieur à 70°. Sur la figure 8, on a représenté 2 faisceaux 803, 804 d'un même côté, bâbord ou tribord ; la largeur angulaire Δφ étant définie comme enseigné précédemment par la figure 6. La réverbération du fond correspondant à la distance d2 - 1 sur le faisceau 804 ne doit pas venir perturber les échos provenant d'objets situés à la distance d2ι sur les faisceau 803. Pour cela il suffit que à instant d'émission égal, la condition — -^ ≥ — - soit au moins réalisée, c'est-à-dire d2j-ι > da. c c

Lorsque cette condition est réalisée les impulsions sont émises simultanément. Si cette condition n'est pas réalisée les instants d'émission doivent être s

c qui est égale à :

c \_ sin ça sin(.p. + Δ<») Ces considérations permettent de définir le séquencement des émissions des faisceaux pour chaque rafale.

On se place dans le cadre de l'exemple numérique décrit plus haut

H = 15 m Hs = 2 m largeur faisceau à 3 dB : 3, 2°

} Δφ = 10,6^e largeur faisceau entre zéros : 18 ^e φι = 90° - i x 3,2° 1 < i < 18 ceci est aussi valable pourj.

La rafale 1 est celle qui a la durée la plus longue car c'est la seule qui contient 2 faisceaux 1 , 7 qui sont verticaux et qu'il faut donc obligatoirement séparer par un décalage temporel à l'émission (Δti et Δt7). On a : φi = 86,8° Δti = 2,54 ms

En se reportant à la figure 9, la rafale N° 1 commence par l'émission du faisceau 1T suivie à Δti de l'émission du faisceau 1 B, elle - même suivie à Δti de l'émission du faisceau 7T. L'émission du faisceau 7B se trouve à Δt7 de l'émission du faisceau 7T et l'émission du faisceau 1 Bt est à Δt7 de celle du faisceau 7B.

Maintenant il faut vérifier si l'écart temporel entre faisceaux d'un même côté est bien respecté. Pour les faisceaux 1 et 7, on a d2 = 17,03 m et di3 = 15,32 m. Puisque di3 est inférieur à d2, il faut appliquer un retard entre émissions égal à au moins 2,28 ms. En utilisant pour τ la valeur courante 0,2 ms, l'intervalle est égal à 5,28 ms et par suite l'intervalle entre 1T et 7T convient. Il en est de même pour les faisceaux 7 et 13 pour lesquels il faut appliquer un retard entre émissions plus faible égal à 1 ,18 ms. Le retard entre les émissions des faisceaux 7B et 13B est donc assuré et les émissions 13T en 13B peuvent être simultanées. En fait elles sont contigues car il y a des transducteurs communs pour effectuer ces 2 émissions. La durée totale du cycle d'émission de la rafale doit être inférieure

1H à — pour que tous les échos soient émis avant que la première impulsion c soit reçue, afin d'éviter un mélange des signaux dans l'eau.

La durée totale du cycle d'émission de la rafale est égale à

1H

14,44 ms, qui est donc inférieur à — =20 ms. c

En ce qui concerne le cycle émission/réception dans sa totalité, la durée pour une rafale est donnée par :

Pour la rafale 1 , φmax = φi3 et on obtient 41 ,2 ms. Donc le cycle émission/réception pour les six rafales a une durée maximale sensiblement égale à 6 fois cette valeur, soit environ 250 ms.

Pendant cette durée le poisson, s'il navigue à 10 noeuds, se déplace d'une distance de 1 ,25 m et compte tenu des dimensions de la surface insonifiée au sol des faisceaux, comme représenté sur la figure 3, en fonction des dimensions de l'exemple numérique choisi, tout objet

( 5 susceptible de réémettre un écho est insonifié quatre fois (quatre

coups au but) s'il est situé à la verticale du poisson et huit s'il est en

limite du secteur insonifié. De tels nombres permettent d'obtenir une détection tout à fait sûre. Un tel séquencement en six rafales de trois faisceaux est bien adapté jusqu'à une limite inférieure de l'altitude du poisson au-dessus du fond de la mer. Cette limite est d'environ 6 m pour une hauteur de sondage dans le sédiment de 2 m. La valeur de 2 m qui a été retenue est particulièrement adaptée à la détection des mines enfouies, dont on considère qu'elles ne sont plus dangereuses lorsqu'elles sont recouvertes par plus de 2 m de sédiment.

Si l'on utilise une altitude du poisson plus basse, pouvant par exemple être comprise entre 4 et 6 m, on est conduit à adopter un autre séquencement comportant par exemple 9 rafales de 2 faisceaux. Ceci augmente d'environ 50% la durée totale de la récurrence du sonar, d'où une diminution du nombre de fois (coups au but) où l'objet à détecter est insonifié. Pour garder donc la même probabilité de détection on est alors conduit à diminuer la vitesse du poisson à une valeur sensiblement égale à 6,7 noeuds.

Pour obtenir une résolution suffisante en gisement on utilise une formation de voies à la réception pouvant par exemple comporter 7 voies dont l'ouverture en gisement , compte tenu de l'angle 203 défini plus haut est égal sensiblement à 3°.

Dans ces conditions la cellule de résolution du sonar correspond à une ouverture de 3° x 3,2°.

Suivant une variante l'antenne de réception est synthétique, c'est- à-dire que son ouverture angulaire 203 est obtenue par une longueur d'antenne qui tient compte de l'avancement du poisson : cette technique est connue et décrite par exemple dans le brevet US 4 987 563 de John E.

Gilmour.

Le sonar ainsi décrit permet par rapport à ceux utilisés précédemment une amélioration importante du taux de couverture horaire, obtenu par l'augmentation de la vitesse du poisson, qui peut avancer à 10 noeuds au lieu de 4 précédemment. On pourrait même éventuellement arriver jusqu'à une vitesse de 15 noeuds si les performances hydrodynamiques du poisson le permettaient. Par ailleurs le nombre de coups au but est sensiblement augmenté par rapport à l'art antérieur, ce qui correspond en fait au point de vue traitement du signal à une intégration dont on sait qu'elle augmente le rapport signal à bruit.

Claims

REVENDICATIONS

1. Sonar pour détecter les objets enfouis sous le fond des eaux, du type comportant une antenne paramétrique d'émission (103) et une antenne de réception (104) toutes deux portées par un poisson (101 ) destiné à être remorqué à une faible altitude au-dessus du fond de la mer, cette antenne d'émission émettant des voies (1-18) réparties angulairement en site dans un plan transversal à l'axe (D) d'avancement du poisson, caractérisé en ce qu'il est adapté pour émettre les signaux des voies d'émission en site selon des rafales successives en évitant le mélange des échos à la réception, ce qui permet d'augmenter ainsi la vitesse d'avancement du poisson.

2. Sonar selon la revendication 1 , caractérisé en ce les faisceaux correspondant à une rafale sont séparés spatialement en site pour que les faisceaux des rafales successives soient entrelacés pour recouvrir le champ d'exploration du sonar.

3. Sonar selon la revendication 2, caractérisé en ce que les instants d'émission des signaux des faisceaux d'une même rafale sont également séparés en temps pour séparer les émissions bâbord et tribord et aussi pour éviter un mélange entre la réverbération sur le fond de la mer et les échos des objets enfouis dans les sédiments .