FR2562676A1 - Dispositif pour le traitement des signaux modules recus par un systeme sonar - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF POUR LE TRAITEMENT DES ECHOS RETRODIFFUSES PAR LA SURFACE DU FOND MARIN EN REPONSE A DES IMPULSIONS ACOUSTIQUES TRANSMISES PAR UN POISSON TRACTE EN IMMERSION. IL COMPORTE AU MOINS UN ENSEMBLE D, D...D POUR DETERMINER LES COMPOSANTES X ET X DE L'ENVELOPPE COMPLEXE DES SIGNAUX RECUS PAR UNE CHAINE DE RECEPTION 1 A 3 OU D'UNE PARTIE DE CEUX-CI, OBTENUE PAR FILTRAGE SELECTIF D'UNE BANDE ETROITE DANS LE SPECTRE DE FREQUENCE, ET DES MOYENS DE CALCUL, DE MEMORISATION ET DE VISUALISATION 18-20 POUR OBTENIR UNE REPRESENTATION DES VARIATIONS EN FONCTION DU TEMPS DE L'AMPLITUDE COMPLEXE DES SIGNAUX RECUS. APPLICATION AU SONAR LATERAL EN PARTICULIER.

Description

- 1- L'invention a pour objet un dispositif pour le traitement des signaux

modulés reçus par un système de sonar et plus particulièrement un

système de sonar à visée latérale.

Les systèmes de sonar latéral comportent généralement une ou plusieurs antennes émettrices et réceptrices fixées aux parois d'un navire ou d'un corps profilé appelé poisson, qui est tracté en immersion par le navire. Chacune de ces antennes comporte une pluralité de transducteurs alignés suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal du navire ou du poisson, de manière que son diagramme directionnel possède un angle d'ouverture très faible de part et d'autre d'un plan vertical transversal et un angle d'ouverture plus large dans ce même plan. Les transducteurs émetteurs sont alimentés à intervalles réguliers et envoient des impulsions acoustiques dans une direction oblique vers le fond de l'eau. Ces impulsions viennent irradier ou "insonifier" le fond d'un côté ou des deux côtés du navire ou poisson suivant une bande étroite allongée perpendiculairement à la

direction d'avancement et sont rétrodiffusées vers la surface.

L'antenne réceptrice ou les antennes réceptrices, du fait de leur diagramme directionnel, sont adaptées à capter préférentiellement les

échos provenant des bandes irradiées.

- 2 - Les signaux reçus par les transducteurs, en écho aux impulsions émises, sont amplifiés de préférence avec un gain d'amplification croissant avec le temps pour corriger les variations d'amplitude dues à l'obliquité des trajets de propagation, puis détectés afin d'obtenir un signal à basse fréquence représentatif de l'enveloppe de ces signaux. On effectue alors un enregistrement des signaux démodulés en fonction du temps de propagation de manière à obtenir un balayage transversal de la zone irradiée. Les signaux démodulés sont utilisés par exemple pour faire varier en fonction du temps l'intensité du spot d'un

enregistreur optique ou d'un tube cathodique. Les cycles d'émission-

réception sont répétés régulièrement au fur et à mesure de l'avancement du navire et l'on juxtapose les enregistrements successivement effectués afin d'obtenir une image relativement continue du fond. Un sonar latéral est décrit par exemple dans le

brevet français n 2.064.400.

La restitution de l'enveloppe des signaux reçus est obtenue le plus souvent dans les systèmes de sonar par redressement desdits signaux et l'information qu'ils contiennent relativement aux variations de phase

n'est pas exploitée en général.

Les signaux reçus sont affectés, par rapport aux signaux émis, de déphasages à variations rapides caractéristiques des modifications du pouvoir de diffraction ou de rétrodiffusion de la surface irradiée et de déphasages à variations lentes dus à l'effet Doppler et résultant de la vitesse relative par rapport au navire en mouvement, des portions de cette surface situées en dehors du plan transversal de symétrie des faisceaux émis. L'inexploitation des données de phase a pour conséquence qu'aucune distinction ne peut être faite sur l'image obtenue entre les inégalités du fond situées dans le plan de symétrie

du faisceau et hors de ce plan.

- 3 - Le dispositif de traitement selon l'invention est adapté à prendre en compte les variations de la phase des signaux rétrodiffusés et par conséquent permet d'obtenir une représentation plus fine de la surface

du fond.

Il se caractérise en ce qu'il comporte au moins un ensemble de démodulation constitué d'un circuit à asservissement de phase adapté à engendrer un signal de référence dont la fréquence dépend d'une partie au moins des signaux reçus et de moyens de combinaison pour engendrer, à partir de cette partie des signaux reçus et du signal de référence issu du circuit d'asservissement de phase, des signaux correspondant aux composantes en quadrature de l'amplitude complexe; il comporte également un calculateur pour le traitement des signaux issus des moyens de combinaison, ce calculateur étant adapté à calculer l'amplitude complexe à partir de ses composantes, et des moyens pour représenter à chaque cycle d'émission-réception, en fonction du temps,

les variations de l'amplitude complexe.

Des moyens de mémorisation peuvent être utilisés pour emmagasiner les valeurs prises successivement au cours de chaque cycle pour chaque amplitude complexe, ces moyens de mémorisation étant intercalés entre

le calculateur et les moyens de représentation.

Le dispositif peut comporter avantageusement une pluralité de filtres passe-bande adaptés à subdiviser les signaux reçus en une pluralité de signaux filtrés dont les spectres de fréquence sont complémentaires et une pluralité d'ensembles de démodulation connectés respectivement aux sorties des filtres. Le calculateur est adapté à calculer les amplitudes complexes des différents signaux filtrés et démodulés et les moyens de représentation sont alimentés successivement par les différents signaux correspondant aux différentes amplitudes complexes, afin de juxtaposer les traces représentatives respectivement desdites amplitudes complexes. De cette manière, une dissociation des échos en fonction de leur position transversale dans la surface "insonifiée" - 4 - peut être obtenue, ce qui conduit à une représentation plus fine de

cette surface.

D'autres caractéristiques et avantages du dispositif apparaitront à la

lecture de la description de modes de réalisation préférés mais non

limitatifs de l'invention, illustrée par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente de façon très schématique l'angle solide dans lequel se propage la partie la plus importante de l'énergie acoustique émise par l'antenne d'un sonar latéral et de l'énergie acoustique rétrodiffusée par le fond de l'eau et captée par ladite antenne; - la figure 2 représente un chronogramme des impulsions émises; - la figure 3 représente schématiquement un chronogramme des signaux rétrodiffusés en réponse aux impulsions émises; - la figure 4 représente de façon très simplifiée une trace d'enregistrement correspondant à la bande de surface "insonifiée" représentée à la figure 1; - la figure 5 représente le synoptique d'un premier mode de réalisation du dispositif de traitement; la figure 6 représente de façon très schématique, l'angle solide d'émission-réception de l'énergie acoustique et la surface atteinte au cours de chaque cycle par les ondes acoustiques, dans le cas o ladite surface est divisée en une pluralité de bandes élémentaires adjacentes perpendiculaires à la route suivie par le poisson, dont les contributions énergétiques respectives de ces.bandes à l'énergie acoustique des signaux reçus, obtenues par un découpage spectral desdits signaux au moyen de filtres passe-bande étroits; -5- - la figure 7 représente de façon très simplifiée la trace d'enregistrement résultant de la juxtaposition des traces élémentaires correspondant aux différents signaux obtenus par découpage spectral; et - la figure 8 représente schématiquement un second mode de réalisation du dispositif o les signaux reçus et filtrés par différents filtres

passe-bande, sont traités séparément.

Le poisson représenté à la figure 1 comporte au moins une antenne émettrice-réceptrice 1 d'un type connu fixée sur une partie latérale de la coque. Cette antenne est constituée d'un ensemble de transducteurs alignés dont la direction d'alignement est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal ox du navire. Son axe principal OM est

orienté suivant une direction oblique dans le plan transversal yoz.

Une telle antenne a un diagramme de directivité dont le lobe principal est très étroit de part ec d'autre du plan vertical yOz contenant l'axe d'émission principal OM et assez ouvert dans ce même plan. Les valeurs des angles au sommet 0, 02 du faisceau respectivement dans le plan longitudinal et dans un plan transversal sont par exemple de l'ordre de I à 5 et de 30 à 60 , si bien que la surface du fond irradiée ou "insonifiée" par chaque impulsion acoustique émise est une

bande transversale assez étroite.

Une autre antenne identique peut être disposée symétriquement à la première par rapport à la verticale de manière à irradier deux

surfaces identiques de part et d'autre du poisson.

Chaque écho R1...Rk (Fig. 3) correspondant à l'énergie acoustique rétrodiffusée ou diffractée par les inégalités du relief de la bande de terrain irradiée par une impulsion acoustique El...Ek préalablement émise (Fig. 2) est reçu par l'antenne réceptrice, et les signaux 6 - engendrés par les transducteurs sont appliqués à la chaine de

réception représentée à la figure 5.

Cette chaine comporte un amplificateur 2 à gain variable d'un type connu, dont le gain croit depuis l'instant de début de la réception de chaque écho, de manière à compenser l'affaiblissement en fonction de la durée de propagation des ondes acoustiques. L'amplificateur est connecté à un filtre sélectif 3 centré sur la fréquence des signaux acoustiques émis. Le signal à la sortie du filtre 3 est connecté à l'entrée d'un dispositif de détection d'enveloppe tel que celui décrit dans la demande de brevet français n 83/11.577. Ce dispositif comporte deux ensembles de filtrage 4, 5 à commutation de capacité d'un type connu (fabriqué par exemple par la firme RETICON sous la référence R5620) dont les entrées Ei sont connectées à la sortie du filtre 3. Chacun de ces ensembles comporte un moyen d'échantillonnage 6 adapté à prélever sur le signal appliqué à son entrée Ei une succession d'échantillons sur commande d'un signal d'échantillonnage dont la fréquence fs est choisie de préférence sensiblement égale à la

fréquence centrale des échos reçus.

Le signal d'échantillonnage est issu d'un premier élément diviseur de fréquence 7 adapté à diviser par 2 la fréquence d'un signal d'horloge appliqué sur sont entrée EH. La séquence d'échantillons issue du moyen d'échantillonnage 6 est transférée dans un filtre à capacité commutée 8 auquel on applique un signal de commutation de fréquence fc qui est issu d'un second élément diviseur 9 qui divise par un facteur K égal à par exemple la fréquence du signal issu du premier élément diviseur

7, ce filtre à capacité commutée agissant comme un filtre passe-bas.

Le signal issu du filtre passe-bande 3 est appliqué également à l'entrée d'un circuit à boucle de phase asservie 10 du type PLL comportant un détecteur de phase 11 adapté à engendrer un signal dépendant du déphasage entre le signal à l'entrée et un signal engendré par un élément diviseur 12. Celui-ci divise par 2 la - 7 - fréquence d'un signal issu d'un oscillateur commandé en tension (VCO) 13. La tension de commande de l'oscillateur 13 est celle qui est issue d'un filtre passe-bas 14 dont l'entrée est connectée à la sortie du détecteur de phase 11. Du fait de l'utilisation d'un élément diviseur par 2 dans la boucle de phase, la fréquence du signal issu de l'oscillateur 13 est le double de la fréquence prépondérante du

spectre de fréquence des signaux issus du filtre passe-bas 3.

Le signal engendré par l'oscillateur 13 est utilisé comme signal d'horloge pour les deux ensembles de filtrage 4, 5. Il est appliqué directement à l'entrée EH de l'ensemble de filtrage 5 et, par l'intermédiaire d'un inverseur 15, à l'entrée EH de l'ensemble de filtrage 4. Les signaux d'échantillonnage issus des éléments diviseurs 7 des deux ensembles de filtrage 4, 5 sont par conséquent déphasés de M l'un par rapport à l'autre, ce qui permet d'obtenir une détection en quadrature des composantes de l'enveloppe complexe des signaux de sonar appliqués, comme il est indiqué dans la demande de brevet précitée. La fonction de transfert des filtres à capacité commutée 8 et les paramètres de filtrage sont choisis en appliquant à l'entrée de commande Ec des deux ensembles de filtrage 4, 5 les signaux d'un

élément sélecteur 17.

Les signaux en quadrature XS, XC disponibles aux sorties des ensembles de filtrage 4, 5 et dont les spectres de fréquence sont centrés sur la fréquence nulle, sont appliqués à un calculateur 18 adapté en particulier à combiner les tension XC et XS pour obtenir l'amplitude

complexe A = Xc2 + XS2 (1).

La tension résultant de cette combinaison est appliquée à un élément de visualisation 19 constitué par exemple d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique et sert à moduler l'intensité de son spot lumineux. - 8 Une mémoire 20 (Fig. 8) peut être utilisée pour emmagasiner les données issues du calculateur 18. On obtient donc une représentation en fonction du temps de tous les points de la surface latérale irradiée depuis les plus proches jusqu'aux plus éloignés, chaque zone intervenant par sa contribution propre aux variations de phase des signaux reçus. On voit sur -la représentation simplifiée de la bande transversale irradiée par le sonar, alors que le poisson est situé à une abscisse xo0 quelconque, telle qu'elle est schématisée à la figure 4, que les inégalités de surface Sl, S2, S3, S4 de cette surface se traduisent par des lignes transversales s1l s2, s3, s4 étalées sur toute la largeur de la trace correspondante visualisée. A chaque instant de réception, c'est-à-dire pour une même ordonnée y(t), un écho prépondérant est choisi dans la bande de fréquence des signaux reçus et aucune distinction ne peut être faite à un même instant entre deux échos distincts de la même bande de fréquence qui sont affectés

de décalages de fréquence Doppler différents.

Un mode de réalisation du dispositif capable de dissocier plusieurs échos dans les signaux démodulés reçus à un même instant quelconque et par conséquent d'accroitre la finesse de restitution des détails du

terrain "insonifié", va être décrit ci-après.

Le principe mis en oeuvre par ce mode de réalisation tient compte du décalage plus ou moins grand affectant, en raison de l'effet Doppler, la fréquence des ondes acoustiques rétrodiffusées par les différentes

parties de la bande de surface irradiée.

L'écart de fréquence affectant les signaux émis et reçus suivant une direction quelconque OP de l'angle solide OABCD d'émission-réception (Figs 1 ou 6) est, on le sait, proportionnel à la projection Vsin 0 du vecteur vitesse V du poisson sur la direction OP et d'autant plus

important que celle-ci est plus écartée du plan vertical médian.

Si f est la fréquence des signaux acoustiques impulsionnels transmis,

2562676'

- 9 - la fréquence des ondes reçues va varier de f + Af pour celles qui proviennent de la bordure AB en avant du plan vertical transversal yoz de la bande de surface irradiée, à f - Af pour celles qui proviennent de la bordure CD symétrique de AB par rapport au plan vertical, l'écart de fréquence s'annulant pour les ondes acoustiques provenant de la ligne médiane EF. Si l'on découpe l'intervalle de fréquence de largeur AF = 2 A f. centré sur la fréquence centrale f, en n intervalles égaux Afl, Af2... Afn, les ondes acoustiques reçues dans ces intervalles de fréquence vont correspondre respectivement à des contributions de n bandes élémentaires adjacentes R1, R2...Rn de la surface irradiée ABCD, paral1èles à l'axe oy et de largeur d/n. Par conséquent, l'exploitation séparée des signaux appartenant à tous ces intervalles de fréquence et leur juxtaposition sur un organe de visualisation commun vont permettre d'obtenir une représentation au même instant d'échos multiples en supprimant l'effet de sélection de l'écho le plus fort qui intervient dans le cas o tout le spectre de fréquence de largeur F des signaux reçus est exploité en totalité à chaque instant. Le pouvoir de résolution du sonar est de ce fait très sensiblement amélioré. L'exemple d'enregistrement y(t) très simplifié et schématique représenté à la figure 7 et qui est constitué de la juxtaposition des traces r1, r2...rn correspondant aux contributions respectives des bandes élémentaires R1, R2...Rn de la bande de terrain ABCD irradiée, le poisson se trouvant à l'abscisse xo, montre que les positions s'1, s'2, s'3 des inégalités de surface S'1, S'2, S'3 (Fig. 6) peuvent être localisées à leur emplacement exact à l'intérieur de

la trace visualisée correspondant à la surface ABCD.

Le mode de réalisation de la figure 8 qui applique ce principe de découpage de fréquence, comporte également un ensemble de sélection et d'amplification constitué d'un amplificateur à gain variable 2 pour l'amplification des signaux reçus par chaque antenne réceptrice 1, et un filtre passe-bande 3. Mais suivant ce mode de réalisation, la sortie du filtre 3 est connectée en parallèle à n circuits de détection en quadrature (D1, D2...Dn) analogues au circuit D

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représenté à la figure 5, par l'intermédiaire de n filtres sélectifs 21a, 21b...21n, dont les bandes passantes sont égales et complémentaires. Si AF est la longueur de la bande passante du filtre 3, celle de chacun des filtres 21a à 21n est égale à AF n Chaque circuit de détection D1, D2... Dn comporte deux ensembles de filtrage 4 et 5 dont les paramètres de filtrage et les fonctions de transfert sont ajustées au moyen d'un élément sélecteur 17, ces deux ensembles étant alimentés sur leurs entrées horloge par deux signaux en opposition de phase provenant de la sortie de l'oscillateur interne d'un circuit à boucle de phase asservie du type PLL à quartz et adapté à osciller à une fréquence double de la fréquence centrale du filtre

(21a, 21b...21n) dont il reçoit les signaux.

Les couples de signaux en quadrature (Xsi, XCl), (Xs2, XC2)... (Xsn, XCn) engendrés respectivement par les circuits Di, D2...Dn sont appliqués à un calculateur 18 qui détermine, en appliquant la relation (1), les amplitudes complexes A1, A2...An correspondant aux couples de

signaux en quadrature.

Les signaux résultants correspondant à ces différentes amplitudes complexes sont transférés dans une mémoire 20. Toutes les valeurs d'amplitudes complexes relatives à un même cycle d'émission-réception sont ensuite lues dans la mémoire et utilisées pour moduler par exemple le spot d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique 19, suivant une séquence telle que sur l'écran de celui-ci, soient juxtaposées n traces élémentaires correspondant respectivement aux n bandes de fréquences complémentaires délimitées par les filtres 21a à 21n et, comme on l'a vu, à n bandes étroites adjacentes de la surface

"insonifiée" à chaque instant.

Si l'espace parcouru par le poisson dans l'intervalle de temps séparant deux cycles successifs d'émission-réception, est inférieur à la largeur du faiscseau irradiant au niveau du fond, les bandes de

- il -

terrain irradiées au cours de deux cycles successifs vont se superposer partiellement. Une même inégalité de terrain rétrodiffusant de l'énergie acoustique au cours de plusieurs cycles successifs, crée plusieurs échos successifs qui sont détectés respectivement dans plusieurs bandes spectrales différentes du fait que sa position dans la bande irradiée et par conséquent son inclinaison 0 par rapport au plan vertical transverse yoz changent d'un cycle à l'autre. Un même écho est repéré ainsi successivement sur des traces différentes de

l'ensemble r1, r2.. rn.

En raison du recouvrement partiel des bandes visualisées, qui fait qu'un même écho est repérable sur plusieurs traces distinctes, le calculateur 18 peut être adapté à effectuer des combinaisons de signaux correspondant à des échos identiques, de manière à minimiser

les échos aléatoires.

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Claims (8)

R E V E N D I C A T I ONS

1. - Dispositif pour le traitement des signaux modulés en amplitude et en phase reçus à chaque cycle d'émission-réception par un système de sonar, ces signaux étant les échos rétrodiffusés par la surface du fond d'une masse d'eau d'impulsions acoustiques transmises depuis un véhicule portant ledit systséme de sonar, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de démodulation (D) constitué d'un circuit à asservissement de phase (10) adapté à engendrer un signal de référence dont la fréquence dépend de la fréquence d'une partie au moins des signaux reçus et de moyens de combinaison (4, 5, 15) pour engendrer, à partir de ladite partie des signaux reçus et du signal de référence issu du circuit d'asservissement de phase, des signaux correspondant aux composantes en quadrature de l'amplitude complexe, un calculateur (18) pour le traitement des signaux issus des moyens de combinaison, ce calculateur étant adapté à calculer ladite amplitude complexe à partir de ses composantes en quadrature et des moyens (19) pour représenter à chaque cycle d'émission-réception, en fonction du

temps, les variations de ladite amplitude complexe.

2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mémorisation (20) des valeurs prises au cours de chaque cycle par chaque amplitude complexe, ces moyens de mémorisation étant interposés entre le calculateur et les moyens de représentation.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de filtres sélectifs (21a, 21b...21n) adaptés à subdiviser les signaux reçus en une pluralité de signaux filtrés dont les spectres de fréquence sont complémentaires, et une pluralité d'ensembles de démodulation (Dl, D2...Dn) connectés respectivement aux sorties des filtres sélectifs, en ce que le calculateur est adapté à calculer les amplitudes complexes des différents signaux filtrés et en

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ce que les moyens de représentation sont alimentés successivement par les différents signaux correspondant aux différentes amplitudes complexes, de manière à juxtaposer les traces représentatives

respectivement desdites amplitudes complexes.

4. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que chaque ensemble de démodulation comporte deux ensembles de filtrage à commutation de capacité (4, 5), comprenant chacun un moyen d'échantillonnage séquentiel (6) et un filtre à capacité commutée (8) dont les fréquences d'échantillonnage et de commutation dépendent de la fréquence d'un signal d'horloge, les signaux d'horloge appliqués aux deux ensembles de filtrage étant respectivement le signal de référence produit par le circuit à asservissement de phase associé (10) et ce même signal déphasé par un

inverseur logique (15).

5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque circuit à asservissement de phase comporte un oscillateur (13) commandé par tension et adapté au moyen d'un élément diviseur de fréquence (12), à osciller à une fréquence double de la fréquence centrale du signal appliqué audit circuit, le signal issu de

l'oscillateur constituant ledit signal de référence.

6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ensemble de démodulation est connecté à la sortie de moyens

d'amplification et de filtrage (2, 3) des signaux reçus.

7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de représentation des variations de l'amplitude complexe comportent un enregistreur optique à balayage (19), l'intensité du pinceau lumineux d'enregistrement étant modulée par les signaux représentatifs des variations en fonction du temps de chaque amplitude complexe.

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8. - Dispositif selon les revendications'3 et 7, caractérisé en ce

qu'il comporte une mémoire (20) pour emmagasiner les valeurs prises à chaque instant par les différentes amplitudes complexes déterminées par le calculateur et des moyens pour lire dans la mémoire successivement l'ensemble des signaux représentatifs des variations en

fonction du temps de chacune des amplitudes complexes.