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L'invention a pour objet un dispositif pour le traitement des signaux
modules reçus par un système de sonar et plus particulièrement un sys-
tème de sonar à visee laterale.
Les systèmes de sonar lateral comportent generalement une ou plusieurs
antennes emettrices et receptrices fixees aux parois d'un navire ou
d'un corps profile appele poisson, qui est tracte en immersion par le
navire. Chacune de ces antennes comporte une pluralite de transduc-
- teurs alignes suivant une direction parallèle à l'axe longitudinal du
navire ou du poisson, de manière que son diagramme directionnel pos-
sède 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 emetteurs sont alimentes a intervalles regu-
- liers 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 côte ou des deux côtes du navire ou po-isson
suivant une bande etroite allongee perpendiculairement a la direction
d'avancement et sont retrodiffusees vers la surface.
L'antenne receptrice ou les antennes receptrices, du fait de leur
diagramme directionnel, sont adaptees a capter preferentiellement les
echos provenant des bandes irradieesO
~9
~8~L9
Les signaux recus par les transducteurs, en echo aux i~pulsions emi-
ses, sont amplifies de preference avec un gain d'amplification crois-
sant avec le temps pour corriger les variations d'amplitude dues a
l'obliquite des trajets de propagation, puis detectes afin d'obtenir
un signal a basse frequence representatif de l'enveloppe de ces
signaux.
On effectue alors un enregistrement des signaux demodules en fonction
du temps de propagation de maniere a obtenir un balayage transversal
de la zone irradiee. Les signaux demodules sont utilises par exemple
pour faire varier en fonction du temps l'intensite du spot d'un
enregistreur optique ou d'un tube cathodique. Les cycles d'emission-
reception sont repetes regulierement au fur et a mesure de l'avance-
ment du navire et l'on juxtapose les enregistrements successivement
effectues afin d'obtenir une image relativement continue du fond. Un
sonar lateral est decrit par exemple dans le brevet français
n 2.064.400.
La restitution de l'enveloppe des signaux recus est obtenue le plus
souvent dans les systemes de sonar par redressement desdits signaux et
l'information qu'ils contiennent relativement aux variations de phase
n'est pas exploitee en general.
Les signaux re~us sont affectes, par rapport aux signaux emis, de
dephasages a variations rapides caracteristiques des modifications du
pouvoir de diffraction ou de retrodiffusion de la surface irradiee et
de dephasages a variations lentes dus a l'effet Doppler et resultant
de la vitesse relative par rapport au navire en mouvement, des por-
tions de cette surface situees en dehors du plan transversal de syme-
trie des faisceaux emis. L'inexploitation des donnees de phase a pourconsequence qu'aucune distinction ne peut être faite sur l'image obte-
nue entre les inégalites du fond situees dans le plan de symetrie du
faisceau et hors de ce plan.
~2~
-- 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.
Plus spécifiquement, la présente invention propose
un dispositif pour traiter des signaux modulés en amplitude
et en phase reçus à chaque cycle d'émission-réception par un
système de sonar latéral, ces signaux d'amplitude complexe
étant des échos rétrodiffusés par la surface du fond d'une
masse d'eau d'impulsions acoustiques transmises depuis un
véhicule portant ledit système de sonar, caractérisé en ce
qu'il comporte des moyens de filtrage pour sélectionner au
moins une bande de fréquence dans le spectre de fréquence
des signaux reçus, au moins un ensemble de démodulation
constitué d'un circuit à asservissement de phase adapté à
engendrer un signal de référence ayant une fréquence qui dé-
pend de la bande de fréquence sélectionnée et de moyens de
combinaison pour engendrer, à partir de ladite partie des
signaux reçus et du signal de référence issu du circuit à
asservissement de phase, des signaux correspondant aux com-
posantes en quadrature de l'amplitude complexe des signaux
reçus, un calculateur pour le traitement des signaux issus
des moyens de combinaison, ce calculateur étant adapté à
calculer ladite amplitude complexe à partir de ses compo-
santes en quadrature, et des moyens pour représenter à cha-
que cycle d'émission-réception, en fonction du temps, les
variations de ladite amplitude complexe.
Des moyens de mémorisation peuvent être utilisés
pour emmagasiner des 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
i ~ ..,
5~,
- 3a -
pluralité de filtres passe-bande adaptés à subdiviser les
signaux reçus en une pluralité de signaux filtres dont les
spectres de fréquence sont complémentaires et une pluralité
d'ensembles de démodulation connectés respectivement aux
sorties des filtres. Le calculateur est alors adapté à cal-
culer 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 des tra-
ces représentatives respectivement desd
/
/
~ `
4~361~
amplitudes complexes. De cette maniere, une dissociation des echos en
fonction de leur position transversale dans la surface "insonifiee"
peut être obtenue, ce qui conduit a une representation plus fine de
cette surface.
D'autres caracteristiques et avantages du dispositif apparaitront a la
lecture de la descr.iption de modes de realisation preferes mais non
limitatifs de l'invention, illustree par les dessins annexes sur
lesquels :
- la figure 1 represente de façon tres schematique l'angle solide dans lequel se propage la partie la plus importante de l'energie acousti-
que emise par l'antenne d'un sonar lateral et de l'energie acousti-
que retrodiffusee par le fond de l'eau et captee par ladite an-
tenne ;
- la figure 2 represente un chronogramme des impulsions emises ;
- la figure 3 represente schematiquement un chronogramme des signaux
retrodiffuses en reponse aux impulsions emises ;
- la figure 4 represente de façon tres simplifiee une trace d'enregis- trement correspondant a la bande de surface "insonifiee" representee
a la figure 1 ;
- la figure 5 represente le synoptique d'un premier mode de realisa-
tion du dispositif de traitement ;
- la figure 6 represente de façon tres schematique, l'angle solide
d'emission-reception de l'energie acoustique et la surface atteinte
au cours de chaque cycle par les ondes acoustiques, dans le cas où
ladite surface est divisee en une pluralite de bandes elementaires
adjacentes perpendiculaires a la route suivie par le poisson, dont
les contributions energetiques respectives a l'energie acoustique
8~
des signaux recus, sont obtenues par un decoupage spectral desdits
signaux au moyen de filtres passe-bande etroits ;
- la figure 7 represente de façon très simplifiee la trace d'enregis-
trement resultant de la juxtaposition des traces elementaires cor-
respondant aux di~fferents signaux obtenus par decoupage spectral
et
- la figure 8 represente schematiquement un second mode de realisation
du dispositif où les signaux reçus et filtres par differents filtres
passe-bande, sont traites separement.
Le poisson represente à la figure 1 comporte au moins une antenne
emettrice-receptrice 1 d'un type connu fixee sur une partie laterale
de la coque. Cette antenne est constituee d'un ensemble de transduc-
teurs alignes dont la direction d'alignement est sensiblement paral-
lèle à l'axe longitudinal ox du navire. Son axe principal OM est
oriente suivant une direction oblique dans le plan transversal yoz.
Une telle antenne a un diagramme de directivite dont le lobe principal
est très etroit de part et d'autre du plan vertical yOz contenant
l'axe d'emission principal OM et assez ouvert dans ce mème plan. Les
valeurs des angles au sommet ~ 2 du faisceau respectivement dans
le plan longitudinal et dans un plan transversal sont par exemple de
l'ordre de 1 à 5 et de 30 à 60, si bien que la surface du fond
irradiee ou "insonifiee" par chaque impulsion acoustique emise est une
bande transversale assez etroite.
Une autre antenne identique peut etre disposee symetriquement à la
première par rapport à la verticale de manière à irradier deux sur-
faces identiques de part et d'autre du poisson.
Chaque echo Rl...Rk (Fig. 3) correspondant à l'energie acoustique
retrodiffusee ou diffractee par les inegalites du relief de la bande
~4~36~5~
de terrain irradiee par une impulsion acoustique El...Ek prealablement
emise (Fig. 2) est reçu par l'antenne receptrice, et les signaux
engendres par les transducteurs sont appliques a la chaine de recep-
tion representee à la figure 5.
Cette chaine comporte un amplificateur 2 a gain variable d'un type
connu, dont le gain~crolt depuis l'instant de debut de la reception de
chaque echo, de maniere a compenser l'affaiblissement en fonction de
la duree de propagation des ondes acoustiques. L'amplificateur est
connecte a un filtre selectif 3 centre sur la frequence des signaux
acoustiques emis. Le signal a la sortie du filtre 3 est connecte a
l'entree d'un dispositif de detection d'enveloppe qui comporte deux
ensembles de Filtrage 4, 5 a commutation de capacite d'un type connu
(switched capacitor filter) fabrique par exemple par la firme RETICON
sous la reference RS620, dont les entrees Ej sont connectees a la
sortie du filtre 3. Chacun de ces ensembles comporte un moyen d'echan-
tillonnage 6 adapte a prelever sur le signal applique a son entree Ej
une succession d'echantillons sur commande d'un signal d'echantillon-
nage dont la frequence fs est choisie de preference sensiblement egale
a la frequence centrale des echos reçus.
Le signal d'echantillonnage est issu d'un premier element diviseur de
frequence 7 adapte a diviser par 2 la frequence d'un signal d'horloge
applique sur sont entree EH. La sequence d'echantillons issue du moyen
d'echantillonnage 6 est transferee dans un filtre a capacite commutee
8 auquel on applique un signal de commutation de frequence fc qui est
issu d'un second element diviseur 9 qui divise par un facteur K egal a
50 par exemple la frequence du signal issu du premier element diviseur
7, ce filtre a capacite commutee agissant comme un filtre passe-bas.
Le signal issu du filtre passe-bande 3 est applique egalement a l'en-
tree d'un circuit a boucle de phase asservie 10 du type PLL comportant
un detecteur de phase 11 adapte a engendrer un signal dependant du de-
phasage entre le signal a l'entree et un signal engendré par un ele
~2~136~
ment diviseur 12. Celui-ci divise par 2 la frequence d'un signal issu
d'un oscillateur commande en tension (VC0) 13. La tension de commande
de l'oscillateur 13 est celle qui est issue d'un filtre passe-bas 14
dont l'entree est connectee a la sortie du detecteur de phase 11. Du
fait de l'utilisation d'un êlement diviseur par 2 dans la boucle de
phase, la frequence du signal issu de l'oscillateur 13 est le double
de la frequence preponderante du spectre de frequence des signaux
issus du filtre passe-bas 3.
Le signal engendre par l'oscillateur 13 est utilise comme signald'horloge pour les deux ensembles de filtrage 4, 5. Il est applique
directement à l'entree EH de l'ensemble de filtrage 5 et, par
l'intermediaire d'un inverseur 15, à l'entree EH de l'ensemble de
filtrage 4. Les signaux d'echantillonnage issus des elements diviseurs
7 des deux ensembles de filtrage 4, 5 sont par consequent dephases de
2 l'un par rapport a l'autre, ce qui permet d'obtenir une detection
en quadrature des composantes de l'enveloppe complexe des signaux de
sonar appliques.
La fonction de transfert des filtres a capacite commutee 8 et les
parametres de filtrage sont cnoisis en appliquant a l'entree de
commande Ec des deux ensembles de filtrage 4, 5 les signaux d'un
element selecteur 17.
Les signaux en quadrature XS, Xc disponibles aux sorties des ensembles
de filtrage 4, 5 et dont les spectres de frequence sont centres sur la
frequence nulle, sont appliques a un calculateur 18 adapte en
particulier a combiner les tensions Xc et Xs pour obtenir l'amplitude
complexe A = l Xc2 + Xs2 (1).
La tension resultant de cette combinaison est appliquee a un element
de visualisation 19 constitue par exemple d'un enregistreur optique ou
d'un tube cathodique et sert a moduler l'intensite de son spot
lumineux.
~ZgL~6i9
Une memoire 20 tFig. 8) peut etre utilisee pour emmagasiner les
donnees issues du calculateur 18. On obtient donc une representation
en fonction du temps de tous les points de la surFace laterale
irradiee depuis les plus proches jusqu'aux plus eloignes, chaque zone
intervenant par sa contribution propre aux variations de phase des
signaux reçus. On voit, sur la representation simplifiee de la trace
d'enregistrement correspondant à une bande transversale irradiee par
le sonar, situe à une abscisse xO quelconque~ que les inegalites de
relief Sl, S2, S3, S4 de cette surface se traduisent par des lignes
transversales Sl, S2, S3, S4 etalees sur toute la largeur de la trace
correspondante visualisee. A chaque instant de reception, c'est-à-dire
pour une même ordonnee y(t), un echo preponderant est choisi dans la
bande de frequence des signaux reçus et aucune distinction ne peut
être faite à un même instant entre deux echos distincts de la même
bande de frequence qui sont affectes de decalages de frequence Doppler
differents.
Un mode de realisation du dispositif capable de dissocier plusieurs
echos dans les signaux demodules reçus à un même instant quelconque et
par consequent d'accroitre la finesse de restitution des details du
terrain "insonifie", va être decrit ci-apres.
Le principe mis en oeuvre par ce mode de realisation tient compte du
decalage plus ou moins grand affectant, en raison de l'effet Doppler,
la frequence des ondes acoustiques retrodiffusees par les differentes
parties de la bande de surface irradiee.
L'ecart de frequence affectant les signaux emis et reçus suivant une
direction quelconque OP de l'angle solide OABCD d'emission-reception
(Figs 1 ou 6) est, on le sait, proportionnel a la projection Vsin~ du
vecteur vitesse V du poisson sur la direction OP et d'autant plus
important que celle-ci est plus ecartee du plan vertical median.
Si f est la frequence des signaux acoustiques impulsionnels transmis,
la frequence des ondes reçues va varier de f + ~ f pour celles qui
proviennent de la bordure AB en avant du plan vertical transversal yoz
de la bande de surface irradiee, a f - ~ f pour celles qui proviennent
de la bordure ~D symetrique de AB par rapport au plan vertical,
l'ecart de frequence s'annulant pour les ondes acoustiques provenant
de la ligne mediane~ EF. Si l'on decoupe l'intervalle de frequence de
largeur A F - 2 ~ f, centre sur la frequence centrale f, en n
intervalles egaux ~fl~ ~f2 ~fn les ondes acoustiques reçues dans
ces intervalles de frequence vont correspondre respect1vement à des
contributions de n bandes elementaires adjacentes Rl, R2...Rn de la
surface irradiee ABCD, parallèles à l'axe oy et de largeur d/n. Par
consequent, l'exploitation separee des signaux appartenant à tous ces
intervalles de frequence et leur juxtaposition sur un organe de
visualisation commun, vont permettre d'obtenir une representation au
même instant d'echos multiples en supprimant l'effet de selection de
l'echo le plus fort qui intervient dans le cas où tout le spectre de
frequence de largeur ~F des signaux reçus est exploite en totalite à
chaque instant. Le pouvoir de resolution du sonar est de ce fait très
sensiblement ameliore. L'exemple d'enregistrement y(t) très simplifie
et schematique represente à la figure 7 et qui est constitue de la
juxtaposition des traces rl, r2...rn correspondant aux contributions
respectives des bandes elementaires Rl, R2...Rn de la bande de terrain
ABCD irradiee, le poisson se trouvant à l'abscisse xO, montre que les
positions 5'1' 5'2' 5'3 des inegalites de surface S'l, S'2, S'3 (Fig.
6) peuvent être localisees à leur emplacement exact à l'interieur de
la trace visualisee correspondant à la surface ABCD.
Le mode de realisation de la figure 8 qui applique ce principe de
decoupage de frequence, comporte egalement un ensemble de selection et
d'amplification constitue d'un amplificateur à gain variable 2 pour
l'amplification des signaux reçus par chaque antenne receptrice 1, et
un filtre passe-bande 3. Mais suivant ce mode de realisation, la
sortie du filtre 3 est connectee en parallèle à n circuits de
8~
- 10 -
detection en quadrature (Dl, D2...Dn~ analogues au circuit D
represente a la figure 5, par l'intermediaire de n filtres selectifs
21a, 21b...21n~ dont les bandes passantes sont egales et
complementaires. Si F est la longueur de la bande passante du filtre
3, celle de chacun des filtres 21a à 21n est égale a ~F.
n
Chaque circuit de ~etection Dl, D2...Dn comporte deux ensembles de
filtrage 4 et 5 dont les parametres de filtrage et les fonctions de
transfert sont ajustees au moyen d'un element selecteur 17, ces deux
ensembles étant alimentes sur leurs entrees horloge par deux signaux
en opposition de phase provenant de la sortie de l'oscillateur interne
d'un circuit a boucle de phase asservie du type PLL a quartz et adapte
a osciller a une frequence double de la frequence centrale du filtre
(21a, 21b...21n) dont il reçoit les signaux.
Les couples de signaux en quadrature (Xsl, Xcl), (Xs2, Xc2) ... (XSn,
Xcn) engendres respectivement par les circuits Dl, D2...Dn sont
appliques a un calculateur 18 qui determine, en appliquant la relation
(1), les amplitudes complexes Al, A2...An correspondant aux couples de
signaux en quadrature.
Les signaux resultants correspondant a ces differentes amplitudes
complexes sont transferes dans une memoire 20. Toutes les valeurs
d'amplitudes complexes relatives a un meme cycle d'emission-reception
sont ensuite lues dans la memoire et utilisees pour moduler par
exemple le spot d'un enregistreur optique ou d'un tube cathodique 19,
suivant une sequence telle que sur l'ecran de c~lui-ci, soient
juxtaposees n traces elementaires correspondant respectivement aux n
bandes de frequences complementaires delimitées par les filtres 21a a
21n et, comme on l'a vu, a n bandes étroites adjacentes de la surface
"insonifiee" a chaque instant.
Si l'espace parcouru par le poisson dans l'intervalle de temps
séparant deux cycles successifs d'emission-reception, est inferieur a
~Z4861~1
la largeur du faisceau irradiant au niveau du fond, les bandes de
terrain irradiées au cours de deux cycles successifs vont se
superposer partiellement. Une même inegalité de terrain retrodiffusant
de l'energie acoustique au cours de plusieurs cyc'les successifs, cree
plusieurs echos successifs qui sont detectes respectivement dans
plusieurs bandes spectrales differentes du fait que sa position dans
la bande irradiee ~t par consequent son inclinaison par rapport au
plan vertical transverse yoz changent d'un cycle à l'autre. Un même
echo est repere ainsi successivement sur des traces differentes de
l'ensemble rl, r2...rn.
En raison du recouvrement partiel des bandes visualisées, qui fait
qu'un même echo est reperable sur plusieurs traces distinctes, le
calculateur 18 peut être adapte à effectuer des combinaisons de
signaux correspondant à des echos identiques, de manière à minimiser
les echos aleatoires.
