EP0142416B1 - Système transducteur de sonar pour imagerie - Google Patents

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EP0142416B1
EP0142416B1 EP84402088A EP84402088A EP0142416B1 EP 0142416 B1 EP0142416 B1 EP 0142416B1 EP 84402088 A EP84402088 A EP 84402088A EP 84402088 A EP84402088 A EP 84402088A EP 0142416 B1 EP0142416 B1 EP 0142416B1
Authority
EP
European Patent Office
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networks
antennas
transducer system
transducer
linear
Prior art date
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Expired
Application number
EP84402088A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0142416A3 (en
EP0142416A2 (fr
Inventor
Georges Grall
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0142416A2 publication Critical patent/EP0142416A2/fr
Publication of EP0142416A3 publication Critical patent/EP0142416A3/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0142416B1 publication Critical patent/EP0142416B1/fr
Expired legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/35—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using mechanical steering of transducers or their beams
    • G10K11/352—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using mechanical steering of transducers or their beams by moving the transducer
    • G10K11/355—Arcuate movement

Definitions

  • the present invention relates to a sonar transducer system for imaging.
  • An imaging sonar is a sonar device operating at a frequency of a few megahertz and allowing visualization of objects placed on the seabed, as is the case with an optical image. It replaces a television camera when the turbidity of the water is high.
  • An important element of such a sonar is the transmitting and receiving transducer system. This transducer system must provide a wide observation area with high resolution.
  • transducer system comprising a single receiving antenna and a single transmitting antenna insonating the entire observation sector.
  • the reception channels are preformed electronically, and it is necessary to ensure for each channel a different delay on each transducer signal.
  • an observation sector of 45 ° in a deposit with a beam having a width of a deposit of 0.6 °, 75 channels would have to be formed, which would require a very expensive electronic processing circuit.
  • this sonar system has, compared to a directive antenna system, a reduced antenna gain, which leads to an increase in the electric power necessary for its implementation.
  • the subject of the present invention is a sonar transducer system for imaging which is simple and inexpensive to produce, which does not complicate the associated electronic circuits, and which makes it possible to obtain a sufficient frame rate while having a sector of relatively large observation with high resolution.
  • the transducer system according to the invention is defined according to claim 1.
  • the transducer system comprises an even number of antennas constituted by superimposed linear arrays operating in half alternately, at each change of direction of rotation, in transmission and in reception, these antennas being mutually offset angularly at angles equal to each other and equal to the rotary alternative scanning angle to which all the antennas are subjected.
  • FIG. 1 simpfié, a machine 1 unmanned exploration of seabed, generally called “fish”. This machine can be self-propelled, or else towed by a surface boat 2 as shown in FIG. 1.
  • the "fish” When the conventional hull sonar (not shown) of the boat has identified and classified an object resting on the seabed 3, the "fish” performs a more precise identification, and it is then necessary to locate the “fish” with precision relative to this object.
  • the "fish” comprises a television camera 4 and a high frequency sonar 5 essentially comprising a transducer system 6, and associated conventional electrical circuits for transmission, reception, and processing, these circuits being supplied with energy. by a battery 8.
  • a cable 9 connects the "fish” 1 to the boat 2. Via this cable pass the video signals coming from the camera 4 and the sonar signals coming from the sonar 5, as well as any control signals intended for the "fish".
  • the video and sonar signals transmitted by the cable 9 are displayed on board the boat 2 on a standard television monitor (not shown), the operator of which controls the switching to the video or sonar signals.
  • FIG. 2 a set of beams 10 emitted by a transducer 11 with several transmission and reception channels has been symbolized (there are five channels in each direction and therefore five transmission beams in the case of FIG. 2 ). These beams are emitted obliquely (relative to the vertical) and insonify the seabed (a portion 12 of which is assumed to be substantially horizontal and planar has been represented) according to an observation sector having, in bearing, an angle 13.
  • angle 13 (see FIG. 2): 450.
  • Resolution 10 meters from the transducer: square surface with a side of 10 cm.
  • Maximum distance between the transducer and the point of impact of the end of a beam on the sea bottom (distance referenced 14 in Figure 1): 10 meters, the beam being delimited, by convention, by a contour at 3dB attenuation of the main lobe of the directivity diagram.
  • Minimum distance between the vertical passing through the transmitting face of the transducer and the point of impact of the end of a beam, below which there is no need to locate objects 2 meters (distance referenced 15 in Figure 1). This minimum distance 15 corresponds to a minimum distance 16 between the transducer and the point of impact of the beam.
  • the resolution that we have set imposes, at the aforementioned maximum distance of 10 meters, a bearing width of each of the beams in set 10 (see Figure 2) of 1/100 rd, i.e. 0.6 ° . the width in bearing being the value of the opening angle 17 of the conventional beam (that is to say considered according to the aforementioned convention).
  • the maximum oblique distances 14 and minimum 16 define an elevation angle 18 of 30 °.
  • the invention proposes to geometrically preform a small number of channels, five in a preferred embodiment, on transmission and on reception, and to subject the transducer system to mechanical scanning.
  • FIG. 3 shows a simplified top view of the linear networks of the transducer 19 of the preferred embodiment of the invention.
  • This transducer 19 comprises ten antennas with identical linear arrays superimposed, their center being located on an axis, perpendicular to the plane of FIG. 3, the trace of which can be seen in this figure. Five of these antennas operate in transmission, and the other five in reception.
  • five antenna networks referenced 21 to 25 for example the five transmitting networks arranged above the five receiving networks, the latter being respectively oriented in bearing in the same way as the networks d 'emission, and therefore being obscured by them in the top view of Figure 3.
  • the five networks 21 to 25 are mutually offset by an angle of 9 °.
  • Each of the networks 21 to 25 emits a directional ultrasonic beam, the beams being respectively referenced 26 to 30.
  • the direction of each beam is perpendicular to the longitudinal axis of the corresponding linear network and to the axis 20, and these beams are mutually offset at an angle of 9 °.
  • the assembly 19 of the ten antennas rotates around the axis 20 in an alternating movement of amplitude 9 ° (9 ° in one direction and 9 ° in the other direction). Consequently, this reciprocating movement allows the required 45 ° angular field to be observed completely.
  • Each linear network is formed by several elementary transmitting or receiving transducers, as the case may be, whose electrical signals on transmission or reception are added by simple electrical connection between the elementary transducers of the same linear network.
  • each network has a length of 60 ⁇ and a height of 2 ⁇ .
  • Such a network produces, at the operating frequency of 2 MHz (the operating frequency is advantageously between 1 and 5 MHz), a radiation diagram whose angular width (at 3 dB attenuation) in bearing is of the order 0.95 °, and that on site of the order of 30 °.
  • the required angular resolution in bearing of 0.60 ° is obtained by the product of the emission and reception diagrams.
  • the receiving networks are angularly offset with respect to the corresponding transmitting networks by making them undergo a slight rotation of angle a around the axis 20, (which makes that in all rigor, in the top view of FIG. 3), the receiving networks are not completely masked by the transmitting networks, but slightly exceed them) in order to ensure on emission a phase advance equal in value absolute said delay.
  • Each network is alternately transmitter and receiver in the direction of rotation, to ensure phase advance on transmission. Means, obvious to those skilled in the art, are provided for alternately switching the sonar transmission and reception channels on the corresponding networks.
  • FIG. 4 shows an exploded view of a preferred embodiment of a linear array antenna 31 according to the invention.
  • the antenna 31 comprises a linear array 32 consisting of a piezoelectric ceramic bar 33 on the upper and lower side faces of which there is by metallization a longitudinal strip 34 of electrically conductive material. Thin notches 35 are formed in the bar 33. They are regularly spaced perpendicular to the longitudinal axis of the bar, these notches cutting the ribbons 34. This gives a network formed of elementary transducers 36. In Figure 4 there is shown nine transducers.
  • the lateral face of the bar 33 opposite its active face is fixed by bonding to a bar 37, made of reflective material, of the same length and thickness as it.
  • the bar 37 is for example made of porous synthetic material such as "Klégécel".
  • the set of bars 33 and 37 is fixed by bonding to the flat front face of an insulating wafer 38 semicircular epoxy of the same thickness as these two bars.
  • the wafer 38 has at its rear part a notch 39 allowing the introduction of the end of an electrical connection cable 40 to a pair of shielded wires and the passage of the axis of rotation.
  • the plate 41 formed by the wafer 38 extended by the bars 37 and 33 is sandwiched between two wafers 42 and 43 of the same shape as it, and with a thickness of 0.6 mm for example.
  • the two wafers 42 and 43 are coated on their large external faces with a metallic film of electromagnetic shielding 44, 45 respectively, for example made of copper.
  • the internal faces (that is to say those applied to the plate 41) of the wafers 42 and 43 include a metallization, 46, 47 respectively, in the shape of a T whose "horizontal” bar is applied to the corresponding metallization 34 by establishing an electrical contact, and the "vertical" bar of which extends up to the level of the notch 39 where it ends in an eyelet in the center of which a blind hole is made, 48.49 respectively, thus allowing fixing by welding of each of the two wires of the conductor 40, the shielding braid of which is connected to the shieldings 44 and 45.
  • All of the elements of the antenna 31, once mounted and bonded, are coated with a neoprene sheath (not shown) ensuring the sealing of the assembly.
  • the transducer of the invention is formed by stacking five pairs of antennas such as the antenna 31 described above, the pairs being mutually offset by 9 °, and the two antennas of a pair being offset between them 0.6 °.
  • two stacks can be made, each comprising five antennas offset between them by 9 °, the two stacks being offset between them by 0.6 °.
  • the five output signals from networks operating in reception mode are processed separately in a manner known per se, by amplification, filtering, detection and integration, then are multiplexed to be transmitted to the surface boat 2 via cable 9.
  • These multiplexed signals are then digitized and stored in a memory, the writing addresses of which take account of the fact that the samples to be stored represent information originating from channels spaced apart by an angle of 9 °.
  • This memory is filled in the time interval corresponding to the duration of scanning of the sector of 9 °, ie 200 ms since the speed of rotation chosen in the example described is 45 ° / s.
  • This memory is read back to the high speed television standard for viewing on said television monitor.
  • the antenna gain is approximately 32 dB, which makes it possible to supply the five transmission networks in parallel with an electrical power of approximately 30 W, each network receiving approximately 6 W.
  • the diagram in FIG. 5 shows the evolution as a function of time t of the angular position A of the transducer of the invention in operation, that is to say when it performs an alternating scan at the angular speed of 45 ° / s , being driven by an electrically controlled speed-controlled gearmotor.
  • the curve of FIG. 5 has the shape of a regular sawtooth and symmetrical with respect to a time axis Ot located at half of the angular movement, sawtooth whose slope has the absolute value 45 ° / s and whose the vertices are rounded off because of the time To necessary for the establishment of the speed of rotation when changing the direction of rotation.
  • the linear part of the curve is between the angular positions -4.5 ° and + 4.5 °, in a useful zone Z.U of duration 200 mS.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the control circuit of the drive motor 50 of the transducer of the invention.
  • the motor 50 drives the transducer 52 by means of a reduction gear 51.
  • the reduction gear 51 has a reduction ratio of 1/25 for example.
  • the motor 50 also drives a generator 53, the output voltage of which is sent to a comparator 54 receiving on the other hand from a switch 55 a set voltage switched alternately (according to a period equal to ZU + To) between the values + Vo and -Vo corresponding to the voltages supplied by the generator 53 for an angular deflection of + 4.5 and -4.5 ° (relative to an angular position at mid-deflection) of the transducer 52.
  • the output voltage of 54 is amplified by an amplifier 50A and supplies the motor 50.
  • the switching of the switch 55 is controlled by two amplifiers 56, 57 each connected to an optical bearing stop with photosensitive elements 58, 59 respectively, determining said angular deflections of + 4.5 ° and -4, 5 0.
  • the motor 50 is fixed on a removable support 60 itself tightly fixed (seal 61) on the shell 62 of the "fish" in a suitable place.
  • the output shaft 63 of the motor 50 drives the reduction gear 51 supported at the end by a bearing 64 and guided laterally by a guide ring 65, the bearing 64 and the ring 65 being integral with the support 60.
  • the reduction gear 51 is housed in a cavity of the support 60, closed in a sealed manner by a bored plate 66 by the bore of which the reducer 51 protrudes slightly beyond the support 60.
  • the transducer 52 is fixed at the end of the reducer 51 and protected by a radome 68 fixed tightly on the projecting end of the reducer 51.
  • the electrical connection cable 65 of the transducer 52 passes in the hollow axis of the reducer 51, exits laterally and is connected to the electronic circuits 7 of the "fish" (see FIG. 7) by making a loop allowing the alternating rotation of the transducer.
  • a pallet 70 is fixed on the shaft 63 of the motor 50 and cooperates with two optical detectors, for example of the reflection type, only one of which, referenced 71, is visible in FIG. 7, these two detectors being fixed on the support 60 in appropriate places. These two detectors include the photosensitive elements 58 and 59 shown in FIG. 6.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un système transducteur de sonar pour imagerie.
  • Un sonar d'imagerie est un dispositif sonar fonctionnant à une fréquence de quelques mégahertz et permettant une visualisation des objets posés sur le fond de la mer, comme c'est le cas pour une image optique. Il se substitue à une caméra de télévision lorsque la turbidité de l'eau est importante. Un élément important d'un tel sonar est le système transducteur d'émission et de réception. Ce système transducteur doit assurer un large secteur d'observation avec une résolution élevée.
  • On connait un système transducteur comportant une seule antenne de réception et une seule antenne d'émission insonifiant tout le secteur d'observation. Les voies de réception sont préformées électroniquement, et il faut assurer pour chaque voie un retard différent sur chaque signal de transducteur. Pour couvrir par exemple un secteur d'observation de 45° en gisement avec un faisceau ayant une largeur en gisement de 0,6°, il faudrait former 75 voies, ce qui nécessiterait un circuit élecronique de traitement très onéreux. En outre, ce système sonar présente, par rapport à un système à antenne directive, un gain d'antenne réduit, ce qui entraîne une augmentation de la puissance électrique nécessaire à sa mise en oeuvre.
  • Il est également connu de préformer géométriquement des voies en utilisant autant d'antennes que de voies et en les décalant angulairement de la valeur désirée (0,6° pour l'exemple précité). Pour un nombre élevé de voies, cette technique devient trop onéreuse.
  • Il est connu enfin de ne pas préformer de voies et d'insonifier l'espace par balayage mécanique d'une seule paire d'antennes d'émission et de réception effectuant un balayage alternatif, mais alors la cadence de formation d'images est insuffisante.
  • La présente invention a pour objet un système transducteur de sonar pour imagerie qui soit simple et peu onéreux à réaliser, qui ne complique pas les circuits électroniques associés, et qui permette d'obtenir une cadence d'images suffisante tout en ayant un secteur d'observation relativement large et présentant une résolution élevée.
  • Le système transducteur conforme à l'invention est défini selon la revendication 1.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le système transducteur comporte un nombre pair d'antennes constituées de réseaux linéaires superposés fonctionnant par moitié alternativement, à chaque changement de sens de rotation, en émission et en réception, ces antennes étant mutuellement décalées angulairement selon des angles égaux entre eux et égaux à l'angle de balayage alternatif rotatif auquel est soumis l'ensemble des antennes.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel:
    • - la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un engin d'exploration sous-marine comportant un système transducteur de sonar pour imagerie,
    • - la figure 2 est une vue schématique imagée et en perspective de faisceaux sonar émis par un transducteur à plusieurs voies d'émission,
    • - la figure 3 est une vue de dessus simplifiée des antennes d'un système transducteur conforme à l'invention,
    • la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une antenne conforme à l'invention,
    • la figure 5 est un diagramme, en fonction du temps, de la position angulaire du système transducteur de l'invention lorsqu'il assure un balayage alternatif,
    • -la figure 6 est un schéma électrique simplifié d'un circuit d'asservissement du moteur d'entraînement du système transducteur de l'invention, et
    • - la figure 7 est une vue en coupe représentant un exemple d'implantation du moteur de la figure 6 dans un engin d'exploration.
  • On a représenté sur la figure 1, de façon simpfiée, un engin 1 non habité d'exploration de fonds sous-marins, généralement appelé "poisson". Cet engin peut être autopropulsé, ou bien remorqué par un bateau de surface 2 comme représenté sur la figure 1.
  • Lorsque le sonar de coque classique (non représenté) du bateau a repéré et classifie un, objet reposant sur le fond marin 3, le "poisson" effectue une identification plus précise, et il faut alors localiser le "poisson" avec précision par rapport à cet objet. A cet effet, le "poisson" comporte une caméra de télévision 4 et un sonar haute fréquence 5 comprenant essentiellement un système transducteur 6, et des circuits électriques associés classiques d'émission, de réception, et de traitement, ces circuits étant alimentés en énergie par une batterie 8.
  • Un câble 9 relie le "poisson" 1 au bateau 2. Par ce câble transitent les signaux vidéo issus de la caméra 4 et les signaux sonar issus du sonar 5, ainsi que d'éventuels signaux de commande à destination du "poisson". Les signaux vidéo et sonar transmis par le câble 9 sont visualisés à bord du bateau 2 sur un moniteur standard de télévision (non représenté) dont l'opérateur commande la commutation sur les signaux vidéo ou sonar.
  • Sur la figure 2, on a symbolisé un ensemble de faisceaux 10 émis par un transducteur 11 à plusieurs voies d'émission et de réception (il y a cinq voies de chaque sens et donc cinq faisceaux d'émission dans le cas de la figure 2). Ces faisceaux sont émis obliquement (par rapport à la verticale) et insonifient le fond marin (dont une portion 12 supposée sensiblement horizontale et plane a été représentée) selon un secteur d'observation ayant, en gisement, un angle 13.
  • Compte-tenu des mouvements du "poisson", on a déterminé que le système sonar devait produire, de façon optimale, quatre images par seconde, valeur qui sera adoptée dans la suite de la description, mais cette valeur n'est nullement limitative.
  • Pour un exemple de réalisation préféré de l'invention, on a adopté les valeurs typiques suivantes: angle 13 (voir figure 2): 450. Résolution, à 10 mètres du transducteur : surface carrée de 10 cm de côté. Distance maximale entre le transducteur et le point d'impact de l'extrémité d'un faisceau sur le fond de la mer (distance référencée 14 sur la figure 1): 10 mètres, le faisceau étant délimité, par convention, par un contour à 3dB d'atténuation du lobe principal du diagramme de directivité. Distance minimale entre la verticale passant par la face d'émission du transducteur et le point d'impact de l'extrémité d'un faisceau, en dessous de laquelle il n'y a pas besoin de localiser des objets: 2 mètres (distance référencée 15 sur la figure 1). A cette distance minimale 15 correspond une distance minimale 16 entre le transducteur et le point d'impact du faisceau.
  • La résolution que l'on s'est fixée impose, à la distance maximale précitée de 10 mètres, une largeur en gisement de chacun des faisceaux de l'ensemble 10 (voir figure 2) de 1/100 rd, soit 0,6°. la largeur en gisement étant la valeur de l'angle d'ouverture 17 du faisceau conventionnel (c'est à dire considéré selon la convention précitée). Les distances obliques maximale 14 et minimale 16 délimitent un angle de site 18 de 30°.
  • Dans les conditions précitées, le nombre de voies à former est de 45°/0,6° = 75 voies.
  • Pour éviter les inconvénients des systèmes transducteurs connus précités, l'invention propose de préformer géométriquement un faible nombre de voies, cinq dans un exemple de réalisation préféré, à l'émission et à la réception, et de faire subir au système transducteur un balayage mécanique alternatif de faible amplitude, 9° dans un sens, et 9° en sens inverse pour l'exemple de réalisation préféré, de manière à satifaire à la cadence image requise, tout en ayant des caractéristiques du moteur de balayage peu contraignantes.
  • On a représenté sur la figure 3 une vue de dessus simplifiée des réseaux linéaires du transducteur 19 du mode de réalisation préféré de l'invention. Ce transducteur 19 comporte dix antennes à réseaux linéaires identiques superposées, leur milieu étant situé sur un axe, perpendiculaire au plan de la figure 3, dont on voit la trace 20 sur cette figure. Cinq de ces antennes fonctionnent en émission, et les cinq autres en réception. On voit sur la figure 3, cinq réseaux d'antenne référencés 21 à 25, par exemple les cinq réseaux d'émission disposés au-dessus des cinq réseaux de réception, ces derniers étant respectivement orientés en gisement de la même façon que les réseaux d'émission, et étant donc occultés par elles dans la vue de dessus de la figure 3. Les cinq réseaux 21 à 25 sont mutuellement décalés d'un angle de 9°. Chacun des réseaux 21 à 25 émet un faisceau ultrasonore directif, les faisceaux étant respectivement référencés 26 à 30. La direction de chaque faisceau est perpendiculaire à l'axe longitudinal du réseau linéaire correspondant et à l'axe 20, et ces faisceaux sont mutuellement décalés d'un angle de 9°. L'ensemble 19 des dix antennes tourne autour de l'axe 20 selon un mouvement alternatif d'amplitude 9° (9° dans un sens et 9° dans l'autre sens). Par conséquent, ce mouvement alternatif permet d'observer complètement le champ angulaire de 45° requis.
  • Chaque réseau linéaire est formé de plusieurs transducteurs élémentaires émetteurs ou récepteurs, suivant le cas, dont les signaux électriques à l'émission ou à la réception sont additionnés par simple connexion électrique entre les transducteurs élémentaires du même réseau linéaire.
  • Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous , la face active de chaque réseau a une longueur de 60 λ et une hauteur de 2λ. Un tel réseau produit, à la fréquence de fonctionnement de 2MHz (la fréquence de fonctionnement est avantageusement comprise entre 1 et 5 MHz), un diagramme de rayonnement dont la largeur angulaire (à 3 dB d'atténuation) en gisement est de l'ordre de 0,95°, et celle en site de l'ordre de 30°. La résolution angulaire en gisement requise de 0,60° est obtenue par le produit des diagrammes d'émission et de réception.
  • Du fait de la rotation du système transducteur, il se produit un retard de phase du faisceau d'émission par rapport au faisceau de réception correspondant, ce retard de phase étant fonction de la vitesse de rotation du système et de la distance de la cible. Afin d'assurer la coïncidence entre les faisceaux d'émission et de réception, on décale angulairement les réseaux récepteurs par rapport aux réseaux émetteurs correspondants en leur faisant subir une légère rotation d'angle a autour de l'axe 20, (ce qui fait qu'en toute rigueur, dans la vue de dessus de la figure 3), les réseaux récepteurs ne sont pas complètement masqués par les réseaux émetteurs, mais en dépassent légèrement) afin d'assurer à l'émission une avance de phase égale en valeur absolue audit retard. Dans le mode de réalisation décrit, pour lequel la distance maximale D référencée 14 est de 10m, et la vitesse de rotation w du système transducteur est de 45°/s (pour obtenir quatre images par seconde), l'angle de décalage est a-2D.w/C=0,60 (C étant la vitesse du son dans l'eau). Chaque réseau est alternativement émetteur et récepteur suivant le sens de rotation, pour assurer l'avance de phase à l'émission. Des moyens, évidents pour l'homme de l'art, sont prévus pour commuter alternativement les voies émission et réception du sonar sur les réseaux correspondants.
  • On a représenté sur la figure 4 une vue éclatée d'un mode de réalisation préféré d'une antenne 31 à réseau linéaire conforme à l'invention.
  • L'antenne 31 comporte un réseau linéaire 32 consitué d'une barre de céramique piézoélectrique 33 sur les faces latérales supérieure et inférieure de laquelle on dispose par métallisation un ruban longitudinal 34 de matière électriquement conductrice. De fines entailles 35 sont pratiquées dans la barre 33. Elles sont régulièrement espacées perpendiculairement à l'axe longitudinal de la barre, ces entailles coupant les rubans 34. On obtient ainsi un réseau formé de transducteurs élémentaires 36. Sur la figure 4 on représenté neuf transducteurs. Par exemple, la barre 33 a une longeur de 60λ≈45mm (à la fréquence de 2 MHz, la vitesse C du son dans l'eau est de 1500m/s) et une épaisseur de 2X = 1,5 mm. La face latérale de la barre 33 opposée à sa face active est fixée par collage sur une barre 37, en matériau réflecteur, de mêmes longueur et épaisseur qu'elle. La barre 37 est par exemple en matériau synthétique poreux tel que du "Klégécel". L'ensemble des barres 33 et 37 est fixé par collage sur la face frontale plane d'une galette isolante 38 semi-circulaire en époxy de même épaisseur que ces deux barres. La galette 38 comporte à sa partie arrière une entaille 39 permettant l'introduction de l'extrémité d'un câble de connexion électrique 40 à une paire de fils blindée et le passage de l'axe de rotation. La plaque 41 formée par la galette 38 prolongée par les barres 37 et 33 est prise en sandwich entre deux galettes 42 et 43 de même forme qu'elle, et d'une épaisseur de 0,6mm par exemple. Les deux galettes 42 et 43 sont revêtues sur leurs grandes faces externes d'une pellicule métallique de blindage électromagnétique 44,45 respectivement, par exemple en cuivre. Les faces internes (c'est à dire celles appliquées sur la plaque 41) des galettes 42 et 43 comportent une métallisation, 46,47 respectivement, en forme de T dont la barre "horizontale" s'applique sur la métallisation 34 correspondante en établissant un contact électrique, et dont la barre "verticale" s'étend jusqu'au niveau de l'entaille 39 où elle se termine par un oeillet au centre duquel est pratiqué un trou borgne, 48,49 respectivement, permettant ainsi la fixation par soudure de chacun des deux fils du conducteur 40 dont la tresse de blindage est reliée aux blindages 44 et 45.
  • L'ensemble des éléments de l'antenne 31, une fois monté et collé, est enrobé d'une gaine de néoprène (non représentée) assurant l'étanchéité du montage.
  • Le transducteur de l'invention est formé par l'empilage de cinq paires d'antennes telles que l'antenne 31 décrite ci-dessus, les paires étant mutuellement décalées de 9°, et les deux antennes d'une paire étant décalées entre elles de 0,6°.
  • Selon une variante de réalisation, on peut faire deux empilements comportant chacun cinq antennes décalées entre elles de 9°, les deux empilements étant décalés entre eux de 0,6°.
  • Les cinq signaux de sortie des réseaux fonctionnant en mode de réception sont traités séparément de manière connue en soi, par amplification, filtrage, détection et intégration, puis sont muliplexés pour être transmis vers le bateau de surface 2 via le câble 9. Ces signaux muliplexés sont ensuite numérisés et stockés dans une mémoire dont les adresses d'écriture tiennent compte du fait que les échantillons à mémoriser représentent des informations issues de voies écartées mutuellement d'un angle de 9°. Cette mémoire est remplie dans l'intervalle de temps correspondant à la durée de balayage du secteur de 9°, soit 200 ms puisque la vitesse de rotation choisie dans l'exemple décrit est de 45°/s. Cette mémoire est relue au standard télévision à grande vitesse de lecture pour visualisation sur ledit moniteur de télévision. Dans un exemple de réalisation, le gain d'antenne est d'environ 32 dB, ce qui permet d'alimenter les cinq réseaux d'émission en parallèle avec une puissance électrique de 30 W environ, chaque réseau recevant 6 W environ.
  • Le diagramme de la figure 5 montre l'évolution en fonction du temps t de la position angulaire A du transducteur de l'invention en fonctionnement, c'est à dire lorsqu'il effectue un balayage alternatif à la vitesse angulaire de 45°/s, en étant mû par un motoréducteur à commande électrique asservi en vitesse. La courbe de la figure 5 a la forme d'une dent de scie régulière et symétrique par rapport à un axe des temps Ot situé à la moitié du débattement angulaire, dent de scie dont la pente a pour valeur absolue 45°/s et dont les sommets sont arrondis à cause du temps To nécessaire à l'établissement de la vitesse de rotation lors du changement de sens de rotation. De part et d'autre de l'axe Ot, la partie linéaire de la courbe est comprise entre les positions angulaires -4,5° et +4,5°, dans une zone utile Z.U de durée 200 mS.
  • On a représenté sur la figure 6 un exemple de réalisation du circuit d'asservissement du moteur d'entraînement 50 du transducteur de l'invention. Le moteur 50 entraîne par l'intermédiaire d'un reducteur 51 le transducteur 52.
  • Le réducteur 51 a un rapport de réduction de 1/25 par exemple. Le moteur 50 entraîne également un générateur 53 dont la tension de sortie est envoyée à un comparateur 54 recevant d'autre part d'un commutateur 55 une tension de consigne commutée alternativement (selon une période égale à Z.U + To) entre les valeurs +Vo et -Vo correspondant aux tensions fournies par le générateur 53 pour un débattement angulaire de + 4,5 et -4,5° (par rapport à une position angulaire à mi-débattement) du transducteur 52. La tension de sortie de 54 est amplifiée par un amplificateur 50A et alimente le moteur 50. La commutation du commutateur 55 est commandée par deux amplificateurs 56, 57 reliés chacun à une butée optique de gisement à éléments photosensibles 58, 59 respectivement, déterminant lesdits débattements angulaires de +4,5° et -4,50.
  • On a représenté sur la figure 7 un exemple d'implantation du moteur et du transducteur sur le "poisson". Les caractéristiques du moteur choisi sont:
    • - couple nominal: 3 cm.N
    • - constante de temps mécanique: T=4,5 ms
    • - Inertie: 1c=100 g.CM 2
  • Compte-tenu du réducteur, de rapport 1/25, la constante de temps du système mécanique est à peu près égale à celle du rotor du moteur, soit τχ=5 ms. L'accélération maximale est égale à -2t, soit 314 rd/s2, fournissant un couple d'inertie Ci=Ic.2ω τ =0,35 cm.N. Ce couple est faible devant celui du moteur choisi qui doit vaincre essentiellement les couples de frottements secs.
  • Comme représenté sur la figure 7, le moteur 50 est fixé sur un support amovible 60 lui-même fixé de façon étanche (joint 61) sur la coque 62 du "poisson" en un endroit approprié. L'arbre de sortie 63 du moteur 50 entraîne le réducteur 51 supporté en bout par un roulement 64 et guidé latéralement par une bague de guidage 65, le roulement 64 et la bague 65 étant solidaires du support 60. Le réducteur 51 est logé dans une cavité du support 60, refermée de façon étanche par une plaque alésée 66 par l'alésage de laquelle le réducteur 51 fait légèrement saillie au-delà du support 60. Le transducteur 52 est fixé en bout du réducteur 51 et protégé par un radôme 68 fixé de façon étanche sur l'extrémité saillante du réducteur 51. Le câble de connexion électrique 65 du transducteur 52 passe dans l'axe creux du réducteur 51, en sort latéralement et est raccordé aux circuits électroniques 7 du "poisson" (voir figure 7) en faisant une boucle permettant la rotation alternative du transducteur.
  • Une palette 70 est fixée sur l'arbre 63 du moteur 50 et coopère avec deux détecteurs optiques, par exemple du type à réflexion, dont un seul, référencé 71, est visible sur la figure 7, ces deux détecteurs étant fixés sur le support 60 en des endroits appropriés. Ces deux détecteurs comportent les éléments photosensibles 58 et 59 représentés en figure 6.

Claims (6)

1. Système transducteur de sonar pour imagerie sonore des fonds marins caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes émettrices et réceptrices (21 à 25) en forme de réseaux linéaires de transducteurs mues par un dispositif moteur (50) qui leur fait effectuer un balayage alternatif rotatif autour d'un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal desdits réseaux linéaires.
2. Système transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un nombre pair d'antennes constituées de réseaux linéaires superposés fonctionnant par moitié alternativement à chaque changement de sens de rotation en émission et en réception, ces antennes étant mutuellement décalées angulairement selon des angles égaux entre eux et égaux à l'angle de balayage alternatif rotatif auquel est soumis l'ensemble des antennes.
3. Système transducteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la vitesse de rotation angulaire du système étant de ω°/s, C étant la vitesse du son dans l'eau, D étant la distance maximum d'observation, les antennes émettrices sont décalées en avance de phase par rapport aux antennes réceptrices correspondantes d'un angle a tel que a=2D.M/C.
4. Système transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que chaque antenne comporte un réseau linéaire constitué d'une barre parallélépipédique de céramique piézoélectrique (33) sur les faces latérales supérieure et inférieure de laquelle on dispose par métallisation un ruban longitudinal (34) de matière électriquement conductrice, dans laquelle on pratique de fines entailles (35) régulièrement espacées, perpendiculairement à l'axe longitudinal de la barre pour former des transducteurs (36), cette barre étant fixée sur un réflecteur (37) de même épaisseur, lui-même fixé sur la face frontale d'une palette isolante (38) de même épaisseur, l'ensemble étant pris en sandwich entre deux palettes (42,43) blindées extérieurement (44,45) comportant chacune sur leur face interne une métallisation (46,47) venant en contact électrique avec lesdites métallisations (34) de la barre de céramique, et reliée à un fil d'un conducteur (40) de raccordement de l'antenne.
5. Système transducteur selon la revendication 4, pour un sonar ayant un secteur d'observation en gisement de 45°, présentant une résolution de 10 cm x 10 cm à une distance maximale d'observation de 10 m, caractérisé par le fait qu'il comporte dix antennes superposées à réseaux linéaires, les réseaux émetteurs étant, de même que les réseaux récepteurs, mutuellement décalés de 9°, l'ensemble tournant suivant un mouvement alternatif d'amplitude 9°, et que les réseaux récepteurs sont décalés par rapport aux réseaux émetteurs correspondants d'un angle de 0,6°.
6. Système transducteur selon l'une des revendications 4 ou 5, carractérisé par le fait que chaque réseau linéaire a une longueur de 60 λ et une hauteur de 2 λ, λ étant la longueur d'onde des ondes ultrasonores émises dans l'eau.
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