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L'invention a pour objet un dispositif de télémesure acous-
tique pour la détermination de la position relative d'un objet immergé
par rapport à un véhicule.
Plus particulièrement, l'invention conc:erne un dispositif de
télémesure acoustique pour la détermination de la position d'un objet
tracté en immersion par rapport au navire tracteur. Cet objet tracté est,
par exemple, un corps profilé ou "poisson" relié par un câble à un
navire et contenant des appareils océanographiques. Il évolue en immer
sion à une certaine distance du fond et contient, par e~emple, un écho-
sondeur, un sonar Doppler ou un sonar latéral adaptés à déterminer satrajectoire par rapport au fond de lâ couche d'eau ou à produire des
- échogrammes de la surface du fond ou des couches sous-jacentes. Un
tel poisson est décr;t, par exemple, dans Le brevet francais
numero 2.~12.853.
Lorsque le navire se déplace sur des grands fonds, la longueur
du câble qui le relie au poisson peut atteindre de très grandes longueurs
(plusieurs kilomètres). Du fait de la tra~Znée du câble de remorquage,
des variations de la vitesse de traction et des courants, la position
du poisson peut varier dans de notables proportions, ce qui rend
difficile sa localisation précise.
Une première méthode connue consiste à immerger au fond de
l'eau un ensemble de balises dont les emplacements sont connus et à
détenniner par rapport à celles-ci, à la fois la position du navire
tracteur et celle du poisson immergé. Cette méthode requiert, lorsque
la zone d'évolution du navire est étendue, l'immersion d'un grand nombre
de balises de repérage ou leur déplacement fréguent et son application
est rendue difficile de ce fait.
Une seconde méthqde connue, utilisable quelles que soient
les dimensions des zorles de nav-igation, consisLe .i clctr)rmi.rler l-ar des
moyens acoustiques la posi.tion relativc du poisson par ral)port au
navire, la pOSitiOIl de ce clerrlier étant dcterlllinreen utilisant dc~s sys-
tèmes de rep(rage en mer d'un autrc type connu tcl quc dc~s sy.stemes de
positionnemcnt par raclio.
;~ ~9~
On connait un dispositif mettant en oeuvre cette seconde
méthode qui comporte des capteurs d'ondes acoustiques fixés sous le
navire au voisinage les uns des autres et un émetteur d'innpulsions
acoustiques dispos~e dans le poisson. Un système de télémétrie acous-
tique est adapté à mesurer la durée de propagation d'impulsions acous-
tiques transmises depuis l'émetteur et reçues respectivement par les
capteurs. L'instant initial servant de référence pour la mesure des
intervalles de temps est celui où un ordre d'énmission est transmis par
le câble reliant le navire au poisson pour activer l'émetteur d'im-
pulsionsdisposé dans celui-ci.
On connait un autre dispositif appliquant la même méthode
et comportant également des capteurs d'ondes acoustiques fixés sous
le navire au voisinage les uns des autres, un émetteur d'impulsions
acoustiques soliclaire du poisson et aussi un système de télémétrie
mesurant les intervalles de temps cle propagation d'impulsi.onsclcoustiqllcs
entre l'émetteur et les capteurs. Il se distingue clu précedent essen-
tiellement par le fait que l'ordre d'érmission est transmis à l'émetteur
situé dans le poisson par un signal acoustique se propageant dans l'eau
depuis le navire.
La méthode connue consistant à transmettre un signal acous-
tique depuis le poisson pour le recevoir sur le navire, présente des
inconvénients. Le signal très aEfaibli par la propagation depuis l'objet
est recu dans une zone de bruits forts (bruits de machines, de vent,
de vagues, bruits engendrés par la navigation en surface, etc...) et
le rapport du signal au bruit est faible, ce qui nuit à la précision
des mesures de télémétrie effectuées.En outre, les capteurs d'oncles
acoustiques sont généralement fixés sous la coque du navire à proximité
immédiate les uns des autres, ce qui aEEecte encore déEavorablement la
précision des mesures effectuécs.
La mé-thode selon l'inven-tion permet de cléterminer la posi-tion
relative d'un objet immergé à grancle profondeur par rapport à un navire
tractant cet objet à l'extrémité d'un câble, par mesure du temps de
propagation d'impulsions acous-tiques entre n emplacements d'émission
différents du navire e-t un emplacement de réception sur l'objet
immergé. Elle comprend la transmission d'une séquence de n impulsions
acoustiques, chacune d'elles étant émise d'un des emplacements
d'émission différents du navire et la durée d'émission de la séquence
étant choisie suffisamment courte pour que pendant celle-ci le dépla-
cement cdu navire soit négligeable, la réception successive audit
~- emplacement de réception des impulsions de la séquence transmise, la
mesure sur l'objet des durées de propagation respectives des impul-
sions de la séquence transmise, la numérisation des mesures effectuées,
la transmission par le cable des données numérisées, et la combi-
naison sur le navire des d;fféren-tes mesures transmises en utilisant
les va].eurs des distances entre les emplacemerlts d'émission et celles
des intervalles de temps entre les impulsions de chaclue secluerlce
d'impulsions.
Suivant une première variante, les impulsions émises depuis
les différents emplacements ont meme fréquence et sont émises succes-
sivement. Suivant une seconde variante, les impulsions acoustiques
émises depuis les dif`férents emplacements ont des fréquences dis-
tinctes les unes des autres et sont émises simultanément.
I.a méthode selon l'invention présente par rapport aux méthodes
antérieures,~l'avantage que la récep-tion des ondes acoustique6 émises
s'effectue loin de la surface dans des eaux cal.mes. L'obje-t irnmergé
est en général bien profilé et le bruit propre dû à sa trainée hydro-
dynamique, est très faible par rapport aux bruits de diverses origines
liés à la navigation en surface. Le rapport du signal au bruit obtenu
par la méthode selon l'invention est par conséquent bien meilleur.
Ceci se traduit par un accroissement de la précision obtenue dans la
mesure des temps de propaga-tion des signaux acoustiq-les ou de leurs
phases relatives car, ainsi qu'il est bien connu des spécialis-tes, les
erreurs faites sur ces mesures son-t inversemen-t proportionnelles à la
racine carrée du rapport énergétique du signal au bruit.
3~ ~3
La méthode selon l'invention présente également l'avantage
que les mesures des différentes durées de propagation sont effectuées
sur l'objet imrnergé e-t numérisées avant d'être transmises sur le câble.
Les signaux codés traduisant les mesures numérisees et transmis sur le
câble peuvent être facilement reconstitués même s'ils sont déformés
par une longue propagation ou subissent des variations de phase alé-
atoires dues à des inhomogénéités du câble àe transmission et par
conséquent la précision des mesures de distance effectuées sur l'obje-t
immergé peut être conservée.
Le dispositif de mise en oeuvre comporte des moyens d'émis-
sion d'ondes acoustiques en plusieurs emplacements différents du
véhicule, des moyens disposés sur le navire pour engerldrer des impul-
sions de même durée et de même fréquerlce décaLees dans le l;emps, ces
impulsi.ons ~itant respect:ivement transm:ises aux moyens d~mi.ss:ion, des
moyens de réception des irnpulsions sur l'objet immergé e-t des moyens
de calcul des coordonnées de l'obje-t par rapport au navire. Il comporte
en outre un élément-horloge disposé dans l'objet immergé, pour engen-
drer un signal définissan-t une échelle de temps, adapté à piloter les
moyens pour engendrer les impulsions, des moyens de chronométrage et
un ensemble de mesures de déphasage associés audit objet pour mesurer
les ternps de propagation des différentes impulsions de chaque séquence,
en fonc-tion cle la période du signal engendré par l'élémen-t-horloge,
un moyen associé audit objet pour mesurer la profondeur d'immersion
de celui-ci, ce moyen ains:i que les moyens cle chronornétrage et
l'ensemble de mesure de déphasage compor-tant des moyens de nurnérisa-tion
incorporés adap-tés à numériser les valeurs mesurées en utilisan-t le
signal engendré par l'élément-horloge, e-t un système de transmission
des mesures depuis l'obje-t immergé jusqu'aux moyens de calcul sur le
navire.
D'autres carac-téristiques et avantages de la méthode selon
l'inven-tlon e-t de son disposi-tif de mise en oeuvre apparaîtront à la
lecture de la description qui suit et en se référant aux dessins annexés
sur lesquels :
~g~ 3
- la figure 1 représente un objet immergé relié à un véhicule de surface
par un câb~.e ;
- la figure 2 représen.e schématiquement une disposition des moyens
d'émission sous le véhicule et le système d'axes ~0, x y, z) permet-
tant de définir la position de l'objet par rapport au véhicule ;
- la figure 3 représente une projection sur le plan Oxy des em-
placements d'émission et de la position de l'objet immergé ;
- la figure 4 représente les chronogrammes des différentes impulsions
acoustiques émises et recues suivant une première variante de la
méthode ;
- la figure 5.représente les chronogr~mmes de ces mêmes impulsions
suivant une seconde variante de la méthode ; et
- la figure 6 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre
de la première variante de la méthode.
Le système selon :L'invention est aclapté, par cxemplc, ~
déterminer la position d'un corps proEilé ou "poisson'l 1 (i~llrc 1)
par rapport à un véhicule tel qu'un navire 2 auquel il est relié par
un câble multi-fonctions 3 comportant des câbles de traction et des
conducteurs électriques permettant de transmettre des données entre
des appareils océanographiques et électroniques d'un type quelconque
contenus dans le poisson et des appareils d'exploitation de ces données
installés sur le navire tracteur 2. Un déflec-teur 23, d'un -type connu
est fixé à l'ex-trémité inférieure du câble 3 pour maintenir le poisson 1
en immersion profonde.
Les transducteurs émetteurs 4, 5, 6 (~igure 2) assurant
l'émission des ondes acoustiques sont Eixés à la coque du navire 2 en des
emplacements écartés le plus possible les uns des autres et incorporés de
préférence dans aes corps profilés pour réduire les turbulences a'écoule-
ment. Ces corps (non représentés) sont par exemple fi:~es magnétiquement à
la co(lue du navire. La commande des transducteurs émetteurs qui y sont
inclus est efEectuée à travers la coque du navire par un couplagr
acoustique ou magnetique. Les cor?s proEiles peuvent egalement être
~ixés a demeure sous la coque du navire, et leur commandc etrc assuree
par des conducteurs él~ctrirlues de liaison traversant la coque.
Deux des transducteurs (4, 5) sont disposés sur un axe per-
pendiculaire à l'axe longitudinal du navire en deux emplacements A, B
symétriques par rapport à celui-ci. Le troisième transducteur 6 est
disposé en un point C sur l'axe longitudinal. L'écartement latéral des
deux transducteurs 4 et 5 et la distance entre le point C et l'axe
transversal joignant A et B sont choisis les plus grands possibles
dans des limites compatibles avec les dimensi.ons du navire. On désigne
par ~1 l'emplacement du poisson 1 où est fixe un transducteur récepteur
7, par Ox, Oy, Oz un système de trois axes orientés respectivement
10 suivant l'axe longitudinal du navire, suivant l'axe transversal passant
par les points A, B et suivant la verticale et dont l'origine est fixée
au milieu du segment AB, par X, Y, æ les coordonnées du point M dans ce
système d'axes, et par ~ la distance OM. L'angle ~lue fait la projection
OM' de OM sur le plan xOy avec l'axe y est désign~ par ~, cel~ ue ~ait
cette mêllle projection avec OM est c~sign~ par ~.
La projection du segment AB (figure 3) sur la direction OM'
est désignée par rx et la projection du segment OC sur la meme direc-
tion est désignée par ry. Enfin, on désigne par d et d' respectivement
les distances AB et OC.
On démontre facilement que les coordonnées X, Y du point ~1
par rapport au système d'axes 0, x, y, z lié au navire s'obtiennent
par les relations suivantes :
X = d~ rx Cos ~ (1)
y = Rd r Cos ~
Pour déterminer la profondeur Z d'immersion du poisson 1,
on i.ncorpore dans celui-ci un dispositiE (non représenté) de mesure
de pression.
Les valeurs de R~ r , r permettant, en combinaison avec les
valeurs de Z données par le dispositif de mesure de pression et les
valeurs de d et d' connues par construction~ de calculer les coordonnées
du poisson par rapport au navire, sont obtenues par des mesures télé-
métriques.
Suivant une première variante de la méthode, chaque cycle
d'émission-réception d'ondes acoustiques comporte (figure 4) l'émission
au point A à un instant tl d'une impulsion El de durée ~t et de fréquence
déterminée f, puis l'émission au point C d'une seconde impulsion identi-
que Ez à partir d'un instant t2 ultérieur à tl puis enf:in l'émissionau point B d'une troisième impulsion.E3 également ident:ique, à partir
cl'un instant t3 postérieur à t2. Ces trois impuLsions se propagent vers
le poisson imlllergé t-~t SOIlt reçues successivemellt par le trnns-lucteur
récepteur 7 dispose au point ~1, à cles instants t'l, t'3, t'2 dependant
des durées de propagation respectives des signaux. En général, t'2 est
postérieur à t'3 du fait de l'écartement cd' choisi. Comme les impulsions
transmises sont déformées par la propagation, on amplifie les signaux
acoustiques reçus Rl~ R3, R2 et on les remet en forme, de manière à pou-
voir déterminer avec précision leurs instants d'arrivée respectifs t'l,
t 3, t 2 Cette remise en forme comporte par exemple une comparaison de
l'amplitude des signaUx avec une valeur-seuil déterm;.née.
Onldésigne par TE l'intervaLle de temps (tl, t3) entre les
fronts montDnts FEl et Fl.3 des impulsiorls El et E3, par T l ' intervalle
de temps (t2, t'l) entre le front montant de F1~2 de l'impulsion E2 et
l'instDnt où l'amplitude de l'impusion reçue Rl franchit la valeur-
seuil, par Tx l'intervalle (t'l, t'3) entre les instants où les ampli-
tucles des impulsions Rl et R3 ~tteignellt la valeur-se~.lil et enfin par
Ty l'intcrvalle (t'l, t'2) entre les instants ou les alll[)Litucles des
iml)ulsiorls Rl et R2 atteigllellt cgalement la vDleur-selliL requise.
On montre facilement que, en mesurant les intervalles de
temps T, Tx, Ty et la profondeur Z, et en utilisant la valeur prédé-
terminée de TE, on calcule les différents param`etres requis : R, r ,
r et Cos~ par les relations suivantes :
- R = c(T + kTx)
rx = c(Tx ~ TE~ (2)
r = c(Ty - kTx)
Cos ~ = ~ 1 - Z /R2
c désignant la célérité des ondes acoustiques dans l'eau et
k un nombre égal au rapport entre les intervalles de termps (t2-tl) et
(t3-tl). Les valeurs de R, r , r , Cos~ étant déterminées, on calcule
alors les coordonnées X et Y du point ~1 en appliquant l.es reLations ~1).
Les intervalles de temps 2 1 ' ( 3 1) nt choisis
pour que, quelle que soit la position du point ~I dans les conditions
réelles de fonctionnement, les impulsions Rl, R3 et R2 soient re~ues
consécutivement, de manière à pouvoir associer sans ambigulté les
impulsions recues avec les impulsions correspondantes émises, quelle que
soit la position du poisson immergé à l'arrière du navire.
Suivant une seconde variante de la méthode (Eigure 5), les
impulsions El, E2 et E3 sont émises simultanément mais leurs frécluences
respectives El, E2, f3 sont clifEérentes les unes des autres, de man;ère
à pouvoir distinguer sans ambigu;té leurs instants successiEs cl'arrivée
t'l, t'3, t'2 au point ~I de l'objet. Les relat;ons permettant dc déter-
miner R, r , r , et Cos~ sont identiques à celles du groupc (2) mais
ici les intervalles de temps T~ et t2-tl sont rcduites à zero.
D'après les rclations (1) et (2) et guelle q~lc soit 13 variantc
utiliséc, on voit que, cn disposant lcs points cl'emissiorl ~, ~, C en de~s
ernpl.lccments Ic: la coquc clu n~vire lcs plu~s cloignus lcs UllS dc; autrcs,
on accroit les valeurs de d et d et les écarts de temps de propagation
Tx, Ty, pour une valeur TE déterminée, et par conséquent, on diminue
les erreurs relatives Eaites sur les mesures de r , r et les coordon-
nées X, Y.
Si l'on se reporte à la figure 6, on -~oit que le dispositif
de mise en oeuvre eomporte un ensemble Nl disposé dans le poisson et
un ensemble N2 disposé sur le navire. Ces deux enseuIbles étant inter-
eonnectés par des eonducteurs électriques 8 inelus dans le câble de
liaison 3 (figure 1).
L'ensemble N1 comporte un ensemble cle réception 9 adapté à
amplifier et mettre en forme les impulsions aeoustiques recues par le
transdueteur 7 (figure 2), de manière à déterminer les instants sueces-
sifs t'l, t'3, t'2 (figures 4 et 5) où les ampLitucIes respecl:ives cle
ees impuls-ions atte:ignent par exrmple u[le vale-Ir-se-lil d~terminee. IL
eomporte éga:Lement un ~l~ment cIe eIIrononletrage 10, un ensembI.c~ de
mesure de déphasage 11 d'un type eonnu, un dispositif de mesure 14
eomprenant une ccapsule manométrique, adapté à engendrer un signalnurnérisé
représentatif de la profondeur d'immersion du poisson, un élément-
horloge 12 qui engendre un signal périodicIue définissant une échelle
de temps, et un multiplexeur 13. La sortie de l'ensemble de réception
9 est eonnectée à l'entrée de l'élément de chronométrage 10 et~l'entrée
de l'ensemble de mesure de déphasage 11. Les sorties de l'élément lO,
de l'ensemble~ll et du dispositif de mesure de pression 1~ sont connec-
tées respecti~ement aux entrées du multiplexeIlr 13. L,a sortie cle
l'élement-horLoge 12 est conneetée à une entrée de :L'élément cle
ehronométrage lO,de l'ensemble de mesure de déph.Isage 11 et cIu disposi-
tif de mesure de pression 1~. Les sorties du multiplexeur 13 sont
eonnectées aux eonducteurs électriques 8.
L'ensemble N2 comporte un démultiplexeur 15 dont les entrees
sont conncctces à l'autre extremité cIcs cond-Icte~lrs électri.(Iues 8. UI1C
sortie du lemultiplcxcur 15 est eonIlcctce a unc~ prclTI;erc entrée cl'ull
calculateur 16. Ullc secondc cntrée dc cclui-ci cst connectce à UllC cen-
Lr.Ilc ck~ vcrtic.Ilitc ].7 adaT)tce a cngcndrcr cIes sign.luY dc correctio
permeLtant dr tcnir comptc~ dcs ef~ets du tanga~c et clu roulis. ~ne
troisicmc cntrcc dU calculatcur 16 cst conncct(c .I un gyro-compas 18
43
adapté à engendrer des signaux de correction pour tenir compte des
variations de cap du navire. Une seconde sortie du démultiplexeur
15 est connectéeà l'entrée d'un élément de synchronisation 19 adapté
à engendrer des impulsions de commande de fréquence f et de durée ~t
aux instants tl, t2, t3 (figure 4). La fréquence f est choisie égale
à un sous-multiple de la fréquence du signal engendré par l'élément
horloge (12), par exemple. Les impulsions de commande sont respecti-
vement transmises aux entrées de trois amp].ificateurs 20, 22, 21 ~dont
les sorties sont connectées respectivement aux trois transducteurs
~metteurs 4, 6, 5. Chacun d'eux, associé à son amplificateur, constitue
un ensemble d'émission.
Les mesures de temps et/ou de déphasages effectuées par l'en-
semble Nl sont transmises à llensemble N2 sous forme numérique, ce qui
évite toute dégradation de l'information quelle que soit la longueur
du câble reliant le navire au poisson. Les bits constituant les mots
numériques transmis sont émis sur les conducteurs 8 à une caclence ~éter-
min~e par l'élément-horloge t2. Le signal engendré par ccLui-ci est
utilisé de ce fait pour synchrorliser l'ensemble du dispositif.
Le dispositif fonctionne de la manière suivante :
Une impulsion de référence, constituée par exemple par un front montant
du signal émis par l'élément-horloge 12, est transmise à l'instant t
vers l'ensemble N2 en surface par les conducteurs 8 et en meme temps,
est utilisée pour initialiser l'ëlément de chronométrage 10 qui
commence à compter les impulsions d'horloge successives. L'irnpulsion
de référence est reçue par l'élement de synchronisation 19 qui engendre
un premier signal impulsi.onnel El de fréquence f et de durée ~t qui est
transmis à l'amplificateur 20 puis un seconcl signa:L L2 et un troisiemr
signal E3, transmis respectivement aux amplificateurs 22 et 21 au~
instants t2 et t3, l'intervalle de temps TE séparant le premier et le
troisième signal engendrcs étant un multiple de la période du signal
cl~lor]c)ge.Les signaux :impu].sionnels amplifiés sont appliqucs succcssi-
vement aux transducteurci ~, 6 et 5 et transmis dalls l'eall.
Lc transductcur 7 rcco;t succcssivcmc[lt le9 im~ 'iiOIlS q~li se
sont propagécs clepui.s le navirc jusqu'.lu poisson ct l'cnsclllbLc dc
24~3
11
réception 9 les amplifie et les met en forme. Les fronts montants des
impulsions ~1~ R3, R2 remises en forme définissant les instants
successifs t'l, t'3, t'2 sont transmis à l'élément de chronométrage
10 qui détermine les nombres de périodes du signal d'horloge accumulées
entre l'instant initial tl et lesdits instants avec une marge d'erreur
égale au plus à une période du signal d'horlo~re et trans~orme ces
nombres en mots numériques.
Pour affiner les mesures, les signaux Rl, R3,R2 recus succes
sivement par l'ensemble de réception sor.t également appliqués à l'en-
semble de mesure de déphasage 11. Celui-ci mesure les déphasages infé-
rieurs à une unité de temps entre les signaux rec,us et le signal engendré
par l'élément-horloge 12 e-t les numérise.
Le multiplexeur 13 connecte séquentiellement l'élément de
chronométrage 10, l'ensemble de mesure de déphasage 11 et le dispositif
de mesure de pression l~i aux conducteurs 8 du câble. Les données reçues
séquentiellr-!ment par l'ensemble N2 sont démultipleY.ées par l'élément
15 puis transmises au calculateur 16 qui. procède aux calculs des
intervalles de temps T, Tx, Ty (figure ~) puis des pararmètres R, rx,
ry et Cos ~, en accord avec le groupe de relations (2) puis enfin des
coordonnées X, Y en accord avec le groupe de relations~l). Le calcula-
teur 16 est adapté à intégrer dans ses calculs les données fournies
par la centrale de verticalité 17 et le gyro-compas 18.
Le'type de multiplexeur 13 est choisi en fonction du nombre
d'appareils c3céanographiques contenus dans le poisson en plus des élé-
ments de l'ensemble Nl du dispositif de télémesure, qui doivent trans-
mettre vers le navire les informations qu'ils ont collectées.
On ne sortirait pas du caclre cle l'invention en remplaçant
les conducteurs électrirlues de lia;son 8 par tout autre moyen de trans-
mission de données.
