FR3077672A1 - Réseau phasé acoustique à angle de faisceau réduit - Google Patents

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Abstract

Un transducteur acoustique et un procédé de génération de faisceaux d’émission et de réception acoustiques sont décrits. Le système inclut une pluralité d’éléments transducteurs agencés pour former un réseau, où les éléments sont reliés électriquement en groupes qui fonctionnent à la même phase électrique, où les phases de groupes adjacents d’éléments diffèrent d’entre environ 50 et 70 degrés et un circuit de formation de faisceaux où les signaux d’émission et de réception sont commandés avec des décalages de phase appropriés pour maintenir la différence de phase d’entre environ 50 et 70 degrés entre les groupes adjacents. Le transducteur obtenu génère des faisceaux d’émission et de réception qui sont inclinés nominalement de moins d’environ 30 degrés par rapport à un axe normal planaire du réseau. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Description
Titre de l’invention : RÉSEAU PHASE ACOUSTIQUE À ANGLE DE FAISCEAU RÉDUIT
DEMANDES CONNEXES [0001] La présente demande revendique la priorité sur la demande US n° 62/625,891, déposée le 2 février 2018.
Domaine de l’invention [0002] La technologie décrite concerne les systèmes de mesure acoustique sous-marins et, plus particulièrement, un système de sonar Doppler qui comprend un transducteur à réseau phasé dont l’angle de faisceau est décalé par rapport à la verticale.
Art antérieur et ses inconvénients [0003] Les transducteurs qui génèrent simultanément plusieurs faisceaux acoustiques étroits inclinés vers l’extérieur suivant deux axes à partir d’un plan peuvent être utilisés dans différents types de systèmes de rétrodiffusion acoustique qui mesurent la vitesse et/ou la distance dans deux ou trois dimensions. On peut citer par exemple les capteurs de vitesse Doppler acoustiques (ADVS), les enregistreurs de vitesse Doppler (DVL) et les profileurs de courant Doppler acoustiques (ADCP), qui utilisent un ensemble simple de quatre faisceaux dans une configuration « Janus » pour une mesure de la vitesse sur deux ou trois axes, les sonars qui mesurent la distance à la cible dans l’eau (comme les sonars à balayage vers l’avant) et les sonars de cartographie de fond.
[0004] Les ADVS sont largement utilisés pour mesurer les profils verticaux de mesures de courants d’eau et pour mesurer la vitesse en prenant pour référence la terre et/ou l’eau pour la navigation des navires. Ils mesurent les vitesses sur 3 axes en mesurant la vitesse le long de lignes de position définies par des faisceaux acoustiques étroits. Un minimum de trois faisceaux orientés dans des directions différentes sont nécessaires pour mesurer les trois composantes orthogonales de la vitesse. Typiquement, quatre faisceaux d’émission/réception coniques (l°-4°) étroits sont utilisés et positionnés selon deux axes d’une surface plane et inclinés par rapport à la normale à ce plan. Cette configuration, bien connue dans le domaine de Γ instrumentation acoustique de haute précision, est dénommée configuration Janus ; les deux ensembles de faisceaux coniques étroits sont inclinés symétriquement vers l’extérieur et positionnés à quatre incréments circonférentiels de 90° sur la surface d’un cône plus grand (généralement 60°) ouvrant vers l’extérieur.
Exposé de l’invention [0005] Le système et le procédé de la technologie présentent chacun plusieurs aspects, dont aucun n’est seul responsable de ses attributs souhaitables. Sans limiter la portée de la présente invention, nous allons maintenant aborder brièvement certains aspects.
[0006] La technologie décrite comprend un transducteur acoustique à réseau phasé qui peut produire des faisceaux acoustiques avec un angle de faisceau qui, dans un mode de réalisation nominal, est de 20 degrés par rapport à la verticale comparativement aux 30 degrés disponibles dans la technologie existante. Dans la technologie décrite, comme dans la technologie existante, le réseau est constitué d’éléments qui présentent un espacement nominal d’une moitié de longueur d’onde du signal acoustique. Cependant, la technologie décrite se distingue de la technologie existante par la mise en phase électrique des éléments transducteurs. Alors que dans la technologie existante, les éléments sont regroupés en colonnes qui sont séparées en phase de 90 degrés (un total de quatre phases distinctes), dans la technologie décrite, les éléments sont regroupés en colonnes qui sont séparées en phase de 60 degrés, pour un total de six phases distinctes.
[0007] Dans un aspect, il y a un transducteur acoustique, comprenant une pluralité d’éléments transducteurs agencés pour former un réseau, dans lequel les éléments sont reliés électriquement en groupes qui fonctionnent à la même phase électrique, dans lequel les phases de groupes adjacents d’éléments diffèrent d’entre environ 50 et 70 degrés ; et un circuit de formation de faisceaux dans lequel les signaux d’émission et de réception sont commandés avec des décalages de phase appropriés pour maintenir la différence de phase d’entre environ 50 et 70 degrés entre les groupes adjacents ; dans lequel le transducteur résultant génère des faisceaux d’émission et de réception qui sont inclinés nominalement de moins d’environ 30 degrés par rapport à un axe normal planaire du réseau.
[0008] Les faisceaux acoustiques formés par le système peuvent être dans une configuration Janus.
[0009] Les éléments transducteurs peuvent être agencés pour former un réseau bidimensionnel unique, dans lequel les éléments peuvent être reliés électriquement en lignes dans une première dimension et en colonnes dans une seconde dimension et les lignes peuvent être électriquement indépendantes des colonnes, et la formation de faisceaux peut être appliquée pour générer un total de quatre faisceaux acoustiques.
[0010] Les éléments transducteurs peuvent être agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales. [0011] Le transducteur peut être utilisé pour mesurer la vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau.
[0012] La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son au voisinage du transducteur.
[0013] L’angle d’élévation peut être nominalement de 20 degrés. Les décalages de phase relative ou temporisations peuvent correspondre à une valeur d’environ 60 degrés. La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,49 longueur d’onde à une vitesse nominale du son, mais peut être modifiée d’environ 0,34 longueur d’onde à 0,60 longueur d’onde.
[0014] Dans un autre aspect, il y a un transducteur acoustique, comprenant une pluralité d’éléments transducteurs de dimension entre environ 0,34 et 0,60 longueur d’onde à une vitesse nominale du son, agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques ou polygonales ; un premier côté du transducteur constitué de connexions qui relient ensemble des lignes d’éléments de réseau pour former six groupes, dans lequel chaque groupe est décalé d’une ligne et est relié à une ligne sur six du premier côté ; et un second côté du transducteur constitué de connexions qui relient ensemble des colonnes d’éléments de réseau pour former six groupes, dans lequel chaque groupe est décalé d’une colonne et est relié à une colonne sur six du premier côté.
[0015] Les éléments transducteurs peuvent être agencés pour former sensiblement un motif circulaire.
[0016] Le transducteur peut être utilisé pour mesurer la vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau.
[0017] Les faisceaux d’émission et de réception peuvent être formés en appliquant des décalages de phase ou des temporisations aux groupes de signaux.
[0018] L’angle d’élévation peut être nominalement de 20 degrés. Les décalages de phase relative ou temporisations peuvent correspondre à une valeur d’environ 60 degrés. La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,49 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
[0019] L’invention concerne également un procédé de génération de quatre faisceaux acoustiques d’émission et de réception dans une configuration Janus avec un angle d’élévation inférieur à environ 30 degrés par rapport à un axe normal à un transducteur à réseau phasé acoustique, le procédé comprenant la configuration d’un réseau du transducteur dans un mode émission ; la formation des faisceaux d’émission en générant des formes d’onde présentant une relation de phase relative appropriée sur six groupes de connexions de lignes de réseau et six groupes de connexions de colonnes de réseau ; la configuration du réseau dans un mode réception ; l’application de décalages de phase relative ou de temporisations correspondant à une valeur entre environ 50 et 70 degrés à six connexions de colonnes ou six connexions de lignes ; et l’addition des signaux pour lesquels les décalages de phase ont été appliqués pour former les quatre faisceaux de réception.
[0020] La vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau ou la limite, y compris, mais sans s’y limiter, le fond marin, les calottes glaciaires ou la surface, peut être mesurée.
[0021] La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
[0022] Les éléments du transducteur peuvent être agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales.
[0023] L’angle d’élévation peut être nominalement de 20 degrés. Les décalages de phase relative ou temporisations peuvent correspondre à une valeur d’environ 60 degrés. La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,49 longueur d’onde à une vitesse nominale du son, mais peut être modifiée d’environ 0,34 longueur d’onde à 0,60 longueur d’onde.
[0024] L’invention concerne également un système pour générer quatre faisceaux d’émission et de réception acoustiques dans une configuration Janus avec un angle d’élévation inférieur à environ 30 degrés par rapport à un axe normal à un transducteur à réseau phasé acoustique, le système comprenant un moyen pour configurer un réseau du transducteur dans un mode émission ; un moyen pour former les faisceaux d’émission en générant des formes d’onde présentant une relation de phase relative appropriée sur six groupes de connexions de lignes de réseau et six groupes de connexions de colonnes de réseau ; un moyen pour configurer le réseau dans un mode réception ; un moyen pour appliquer des décalages de phase relative ou des temporisations correspondant à une valeur entre environ 50 et 70 degrés à six connexions de colonnes ou à six connexions de lignes ; et un moyen pour additionner les signaux pour lesquels les décalages de phase ont été appliqués pour former les quatre faisceaux de réception.
[0025] La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
[0026] Les éléments du transducteur peuvent être agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales.
[0027] L’angle d’élévation peut être nominalement de 20 degrés. Les décalages de phase relative ou temporisations peuvent correspondre à une valeur d’environ 60 degrés. La dimension des éléments du réseau peut être d’environ 0,49 longueur d’onde à une vitesse nominale du son, mais peut être modifiée d’environ 0,34 longueur d’onde à 0,60 longueur d’onde.
Liste des figures [0028] [fig.l] illustre un schéma de l’espacement et du phasage relatifs des éléments pour l’émission ou la réception d’un seul faisceau acoustique, incliné à 30 degrés par rapport à la verticale, tels que mis en œuvre dans les applications technologiques existantes.
[0029] [fig.2] illustre un schéma d’un espacement et un phasage relatifs des éléments pour l’émission ou la réception d’un seul faisceau acoustique, incliné à environ 20 degrés par rapport à la verticale, tels que mis en œuvre dans un mode de réalisation de la technologie décrite.
[0030] [fig.3] illustre un schéma du procédé de réception et de formation de faisceaux d’une paire symétrique de faisceaux acoustiques, inclinés à 30 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans les applications technologiques existantes.
[0031] [fig.4] illustre un schéma d’un procédé de réception et de formation de faisceaux d’une paire symétrique de faisceaux acoustiques, inclinés à environ 20 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans un mode de réalisation de la technologie décrite.
[0032] [fig.5] illustre un schéma du procédé d’émission d’un seul faisceau acoustique, incliné à 30 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans les applications technologiques existantes.
[0033] [fig.6] illustre un schéma d’un procédé d’émission d’un seul faisceau acoustique, incliné à environ 20 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans un mode de réalisation de la technologie décrite.
[0034] [fig.7] illustre un schéma du procédé d’émission d’une paire symétrique de faisceaux acoustiques, inclinés à 30 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans les applications technologiques existantes.
[0035] [fig.8] illustre un schéma d’un procédé d’émission d’une paire symétrique de faisceaux acoustiques, inclinés à environ 20 degrés par rapport à la verticale, tel que mis en œuvre dans un mode de réalisation de la technologie décrite.
[0036] [fig.9] présente un exemple de tracé d’un motif de faisceau d’émission ou de réception simulé pour un réseau phasé circulaire utilisant un mode de réalisation de la technologie décrite, formant un faisceau gauche parmi les deux faisceaux possibles.
[0037] [fig. 10] présente un exemple de tracé d’un motif de faisceau d’émission ou de réception simulé pour un réseau phasé circulaire utilisant un mode de réalisation de la technologie décrite, formant un faisceau droit parmi les deux faisceaux possibles.
[0038] [fig.ll] présente un exemple de tracé d’un motif de faisceau d’émission simulé pour un réseau phasé circulaire utilisant un mode de réalisation de la technologie décrite, formant simultanément les deux faisceaux possibles pour l’émission.
[0039] [fig.12] illustre un schéma d’un exemple de configuration Janus de faisceaux acoustiques.
[0040] [fig.13] illustre un schéma d’une vue de dessus d’un exemple de réseau de transducteurs.
[0041] [fig.14] illustre un schéma d’un exemple de réseau de transducteurs avec des interconnexions d’éléments de ligne et d’éléments de colonne.
[0042] Description détaillée des modes de réalisation de l'invention [0043] La technologie de transducteur actuellement disponible utilisée pour produire une configuration à quatre faisceaux comprend des ensembles de transducteurs à quatre pistons ou un transducteur à réseau phasé circulaire bidimensionnel (voir le brevet ‘967 ci-dessous qui décrit ce dernier système).
[0044] Des systèmes à réseaux phasés unidimensionnels tout comme bidimensionnels ont été décrits dans la technologie existante. Le brevet U.S. ri 4,641,291, intitulé « Phased Array Doppler Sonar Transducer » et le brevet U.S. ri 5,550,792, intitulé « Sliced Phased Array Doppler Sonar System », décrivent tous deux des réseaux phasés unidimensionnels, c’est-à-dire des réseaux capables de générer une paire unique de faisceaux acoustiques. Le brevet U.S. ri 5,808,967, intitulé « Two-Dimensional Array Transducer and Beamformer », décrit un réseau phasé bidimensionnel, c’est-à-dire un réseau qui est capable de générer deux paires orthogonales de faisceaux acoustiques. Chacun de ces brevets est intégré par renvoi dans son intégralité. Dans la technologie existante, l’angle du faisceau, qui est par convention mesuré comme l’angle d’inclinaison du faisceau par rapport à la normale du plan du réseau de transducteurs, est nominalement de 30 degrés. Cet angle de faisceau est le résultat direct de la conception du transducteur, en particulier de l’espacement entre les éléments du réseau de transducteurs, de la connectivité entre les éléments du réseau et les fils électriques et de la phase relative des signaux sur les éléments du réseau.
[0045] Dans les applications ADCP et DVL typiques, la technologie des réseaux phasés offre des avantages significatifs. Le principal avantage de la technologie des réseaux phasés est sa taille réduite : pour une configuration Janus donnée, un transducteur à réseaux phasés nécessite environ un quart de la surface totale d’un réseau de transducteurs équivalent construit avec des transducteurs Piston. Le réseau phasé offre également une perturbation réduite de l’écoulement local de l’eau, puisque le réseau a une face de transducteur plane (par rapport aux transducteurs inclinés requis pour la configuration à piston). De plus, lors de la mesure de vitesses parallèles à la face du transducteur, la technologie des réseaux phasés est en grande partie insensible aux variations locales de la vitesse du son.
[0046] Pour de nombreuses applications de la technologie ADCP et DVL, il est avantageux d’avoir un angle de faisceau qui soit inférieur aux 30 degrés susmentionnés. Une configuration avec des angles de faisceau inférieurs à 30 degrés (c’est-à-dire avec l’ensemble de faisceaux plus proche de la normale du plan du réseau) offre de nombreux avantages, notamment :
• une plage de profilage possible plus longue, puisque la plage de profilage est limitée par la plage absolue (distance oblique) du faisceau et, avec un angle de faisceau plus petit, une plus grande proportion de la distance oblique contribue à la plage de profilage globale, • moins d’occasions que le signal acoustique heurte des obstacles physiques étrangers dans l’environnement, • moins de possibilités de crénelage ( « aliasing » en anglais) spatial de l’information de vitesse, par ex. en raison d’ondes océaniques à courte longueur d’onde, et • une « zone de réjection des lobes latéraux » plus petite, par ex. la portion du profil qui est contaminée du fait de la réflexion acoustique provenant d’une limite voisine, comme la surface ou le fond de la mer.
[0047] Il va de soi que l’angle de faisceau du réseau phasé peut être ajusté en modifiant l’espacement entre les éléments du transducteur. Cependant, lorsque l’espacement entre les éléments du transducteur dépasse 0,50 longueur d’onde, le motif du faisceau commence à se dégrader et à former des artefacts appelés lobes secondaires. Dans les applications avec instruments où une petite quantité de dégradation est tolérable, un espacement des éléments atteignant une largeur de 0,60 longueur d’onde peut encore être utile, mais un espacement des éléments au-delà d’une largeur de 0,60 longueur d’onde donne lieu à un motif de faisceau inacceptable pour la plupart des applications. C’est la raison pour laquelle on estime que la technologie existante ne peut pas être utilisée pour générer un angle de faisceau de 20 degrés, puisque l’espacement des éléments devrait être d’environ 0,73 longueur d’onde, ce qui introduirait d’importants artefacts de lobes secondaires dans le motif du faisceau. Par conséquent, une nouvelle approche est nécessaire pour créer un angle de faisceau de 20 degrés à partir d’un réseau phasé d’une manière efficace et réalisable.
[0048] La technologie décrite répond au besoin d’un transducteur acoustique à réseau phasé qui fournit une configuration Janus de faisceaux acoustiques à un angle de faisceau nettement inférieur à la technologie existante, tout en continuant à offrir les avantages susmentionnés de la technologie à réseau phasé. Un exemple de configuration Janus de faisceaux acoustiques 1200 selon un angle de faisceau 0 est illustré à la figure 12.
[0049] Dans un transducteur à réseau phasé, la relation mathématique entre l’espacement des éléments, le phasage électrique entre des éléments adjacents et l’angle de faisceau résultant est :
[0050] [Math.l]
[0051] où d est la distance entre des éléments adjacents, 0 est l’angle du faisceau (inclinaison par rapport à la normale du plan du réseau), Δφ est la différence de phase entre des colonnes adjacentes, et λ est la longueur d’onde de la fréquence acoustique étant émise ou reçue par le réseau.
[0052] Une vue de dessus d’un exemple de réseau de transducteurs 1300 est fourme dans la figure 13. Des éléments de réseau adjacents 1302 sont espacés d’une distance d 1304. Bien que le réseau de transducteurs 1300 soit illustré sous la forme d’un cercle dans certains modes de réalisation, les éléments transducteurs peuvent être agencés pour former sensiblement un motif de forme elliptique ou polygonale dans d’autres modes de réalisation.
[0053] Dans une mise en œuvre 100 indicative de la technologie existante, comme illustré à la figure 1, un transducteur à réseau phasé présente des regroupements d’éléments en quatre phases distinctes A, B, C et D. La distance inter-éléments d fait la moitié de la longueur d’onde du signal λ, et la relation de phase inter-éléments Δφ est réglée à 90 degrés (de sorte que la phase se répète après un élément sur quatre). Il en résulte un angle de faisceau 0 de 30 degrés. Il est à noter que la longueur d’onde dépend de la vitesse du son dans l’eau au niveau de la face du transducteur selon [0054] [Math.2] [0055] où c est la vitesse du son et/est la fréquence acoustique. Par conséquent, la variation de la vitesse du son par rapport à une vitesse du son nominale c0 entraîne une petite variation de la longueur d’onde ainsi qu’une petite variation de l’angle de faisceau 0.
[0056] En utilisant une implémentation 300 indicative de la technologie existante, les faisceaux sont formés dans le sens de réception comme indiqué à la figure 3. En particulier, les signaux des quatre groupes de colonnes sont combinés en deux canaux de réception via des transformateurs 310 et 315, où les deux côtés du transformateur sont reliés à des groupes de colonnes qui sont séparés en phase de 180 degrés. Les deux faisceaux sont ensuite formés par décalage de phase et addition de signaux. Le premier faisceau 340 est formé en décalant 325 le Canal 2 de -90° et en ajoutant 330 au Canal 1, et le deuxième faisceau 345 est formé en décalant 320 le Canal 1 de -90° et en ajoutant 335 au Canal 2. Comme décrit dans le brevet ‘967, une seconde paire orthogonale de faisceaux de réception peut être formée en appliquant la même technique à un deuxième ensemble de colonnes qui sont raccordées de manière orthogonale au premier ensemble.
[0057] Selon le principe de réciprocité, les faisceaux acoustiques peuvent être émis à partir du réseau phasé d’une manière analogue à la réception décrite au paragraphe précédent, comme illustré pour la technologie existante dans les figures 5 et 7. Comme illustré dans ces deux figures, des transformateurs sont utilisés de nouveau pour combiner les quatre groupes de colonnes en deux canaux. Comme illustré à la figure 5, dans une mise en œuvre 500 indicative de la technologie existante, un faisceau unique peut être émis en excitant le Canal 1 avec la forme d’onde d’émission souhaitée et en excitant le Canal 2 avec la même forme d’onde d’émission avec sa phase retardée de 90 degrés. Le faisceau acoustique opposé peut être émis en inversant la relation de phase, par exemple en retardant la phase du signal sur le Canal 1 de 90 degrés par rapport au Canal 2.
[0058] Il est souvent souhaitable d’émettre simultanément une paire de faisceaux acoustiques à partir du même réseau. Ceci est accompli en excitant les colonnes avec la superposition linéaire des signaux nécessaires pour les faisceaux individuels. Il convient de préciser et d’apprécier qu’une mise à l’échelle et un décalage de phase uniformes peuvent être appliqués à tous les signaux et produire la même caractéristique de faisceau d’émission. Dans une mise en œuvre 700 indicative de la technologie existante, l’émission simultanée d’une paire de faisceaux est accomplie, comme illustré à la figure 7, en excitant le Canal 1 et le Canal 2 avec le même signal, mais avec un déphasage de 180 degrés. Il convient de noter que l’excitation du Canal 1 et du Canal 2 avec un signal en phase donnera le même résultat, et il convient également de noter et d’apprécier que tout schéma qui crée un ensemble de signaux avec des inversions de phase de 180 degrés à une distance d’une longueur d’onde produira une paire symétrique de faisceaux.
[0059] De manière similaire à la discussion qui précède relative à la formation de faisceaux de réception, cette formation de faisceaux d’émission peut être appliquée à deux paires orthogonales de faisceaux, comme décrit dans le brevet ‘967, en appliquant la même technique à un deuxième ensemble de colonnes qui sont raccordées de manière orthogonale au premier ensemble.
[0060] L’espacement et le phasage des éléments 200 utilisés dans la technologie décrite sont illustrés à la figure 2. Dans certains modes de réalisation, comme illustré dans la figure, un transducteur à réseau phasé présente des regroupements d’éléments en six phases distinctes A (210), B (220), C (230), D (240), E (250) et F (260). Dans certains modes de réalisation, la distance inter-éléments d fait la moitié de la longueur d’onde du signal λ, comme précédemment. Cependant, le phasage inter-éléments Δφ est réglé à 60 degrés (de sorte que la phase se répète après un élément sur six).
[0061] En référence à la figure 14, un exemple d’un transducteur à réseau phasé 1400 est illustré. Dans certains modes de réalisation, des éléments de réseau individuels 1402 sont reliés entre eux électriquement le long de colonnes côté avant 1420 et de lignes côté arrière 1430. Le système de coordonnées utilisé aux fins de la présente description est tel qu’illustré, avec les lignes 1430 orientées suivant l’axe X, les colonnes 1420 suivant l’axe Y et l’axe Z normal à la face du plan 1410. Les regroupements d’éléments en six phases distinctes A, B, C, D, E et E peuvent correspondre à six colonnes consécutives ou six lignes consécutives du réseau.
[0062] Pour en revenir à la discussion portant sur la figure 2, dans certains modes de réalisation, la valeur du phasage inter-éléments peut être d’environ 60 degrés, par exemple de 60 degrés, entre soixante +/- 0,1 degré, soixante +/- 1 degré ou soixante +/10 degrés, où la principale limitation du phasage est le degré de dégradation qui peut être toléré dans le motif de faisceau résultant. Dans certains modes de réalisation, le phasage inter-éléments Δφ réglé à 60 degrés et la distance inter-éléments d réglée à 0,50 longueur d’onde donne lieu à un angle de faisceau 0 de 19,5 degrés. Dans certains modes de réalisation, l’angle de faisceau peut être inférieur à 30 degrés, par exemple 20 degrés, entre 16,0 et 20,0 degrés et entre 20,0 et 30,0 degrés. En variante, la distance inter-éléments d pourrait faire 0,490 fois la longueur d’onde du signal λ. Dans certains modes de réalisation, la distance inter-éléments d peut être de 0,50 (une demie) longueur d’onde, entre 0,34 et 0,50 longueur d’onde ou entre 0,50 et 0,60 longueur d’onde, où la seule limite à la dimension inférieure est la possibilité de construire le réseau. La limitation de la dimension supérieure est la dégradation du motif du faisceau due aux lobes secondaires. Avec le phasage inter-éléments Δφ de 60 degrés et la distance inter-éléments d de 0,49, l’angle de faisceau résultant 0 serait de 20 degrés.
[0063] L’architecture de formation de faisceaux de réception de la technologie décrite est illustrée à la figure 4. Comme illustré dans la figure, la technologie décrite étend la technologie existante par l’ajout de groupes de phases supplémentaires. Des groupes de colonnes avec une différence de phase de 180 degrés sont reliés à des côtés opposés de chaque transformateur électrique 410, 415 et 428 pour générer trois canaux à partir des six groupes de colonnes A-F. L’un des faisceaux 440 est ensuite formé en ajoutant 430 les signaux provenant de ces trois canaux, où le signal du Canal 1 est inclus sans décalage de phase, le signal du Canal 2 a vu sa phase décalée 425 de -60° et le signal du Canal 3 a vu sa phase décalée 428 de -120°. De même, l’autre faisceau 445 est formé en ajoutant 435 les signaux provenant des trois mêmes canaux, mais avec le signal du Canal 1 ayant sa phase décalée 420 de -120°, le signal du Canal 2 ayant sa phase décalée 425 de -60°, et aucun décalage de phase dans le signal du Canal 3. [0064] Le mode de réalisation 600 illustré à la figure 6 utilise des transformateurs et des déphaseurs pour réaliser la formation de faisceaux de réception. Il existe toutefois d’autres procédés pour réaliser l’opération de formation de faisceaux de réception. Certains exemples incluent la numérisation de tous les canaux uniques, suivie de la formation de faisceaux dans le domaine numérique ; l’utilisation d’amplificateurs différentiels pour combiner les paires 0° et 180°, suivie de la numérisation et de la formation de faisceaux dans le domaine numérique ; la formation de faisceaux avec temporisation analogique ou numérique ; ou toute combinaison de celles-ci.
[0065] Comme décrit dans le brevet ‘967, une seconde paire orthogonale de faisceaux de réception peut être formée en appliquant la même technique à un deuxième ensemble de colonnes qui sont raccordées orthogonalement au premier ensemble.
[0066] Selon le principe de réciprocité, les faisceaux acoustiques peuvent être émis à partir du réseau phasé de la technologie décrite d’une manière analogue à la réception décrite dans le paragraphe précédent, comme illustré aux figures 6 et 8. Comme illustré dans ces deux figures, des transformateurs sont de nouveau utilisés pour combiner les six groupes de colonnes en trois canaux. Comme illustré à la figure 6, dans la technologie décrite, un seul faisceau peut être émis en excitant le Canal 1 avec la forme d’onde d’émission souhaitée, en excitant le Canal 2 avec la même forme d’onde d’émission avec sa phase décalée de 60 degrés, et en excitant le Canal 3 avec la même forme d’onde d’émission avec sa phase décalée de 120 degrés. Le faisceau acoustique opposé peut être émis en inversant la relation de phase, par exemple en excitant le Canal 3 avec la forme d’onde d’émission souhaitée, en excitant le Canal 2 avec la même forme d’onde d’émission avec sa phase décalée de 60 degrés et en excitant le Canal 1 avec la même forme d’onde d’émission avec sa phase décalée de 120 degrés.
[0067] Le mode de réalisation décrit aux figures 6 et 8 utilise trois transformateurs pour la conversion de trois canaux à six groupes de colonnes. Cependant, il existe d’autres procédés pour exciter les transducteurs à réseau phasé lors de l’émission. Certains exemples incluent l’excitation directe de paires de colonnes à l’aide de transistors à effet de champ dans des configurations telles que demi-pont, pont en H ou circuit résonant ; l’excitation linéaire directe avec des formes d’onde sinusoïdales ; ou toute combinaison de ceux-ci.
[0068] Le mode de réalisation 800 pour émettre simultanément une paire de faisceaux acoustiques à partir d’un même réseau à l’aide de la technologie décrite est illustré à la figure 8. Comme précédemment, la génération de faisceaux simultanés est accomplie par l’excitation des colonnes avec la superposition linéaire des signaux nécessaires pour les faisceaux individuels. Dans ce mode de réalisation, la superposition linéaire des signaux donne lieu à une séquence répétitive d’éléments avec deux éléments à la phase zéro degré, un élément nul (non excité), deux éléments à la phase 180 degrés, puis encore un élément nul (non excité). Il convient de comprendre et d’apprécier qu’une mise à l’échelle et un décalage de phase uniformes peuvent être appliqués à tous les signaux et produire la même caractéristique de faisceau d’émission. Comme illustré à la figure 8, dans la technologie décrite, une paire simultanée de faisceaux d’émission est générée en excitant le Canal 1 avec la forme d’onde d’émission souhaitée, en laissant le Canal 2 non excité (nul), et en excitant le Canal 3 avec la phase du signal d’émission décalée de 180 degrés. Il convient de comprendre et d’apprécier que d’autres schémas d’excitation d’émission produiront le même résultat, par exemple en excitant le Canal 1 et le Canal 2 avec la forme d’onde d’émission souhaitée (à la même phase) et en laissant le Canal 3 non excité (nul), et que ces variantes de schémas d’émission entrent également dans le cadre de la présente invention. Plus généralement, tout schéma qui crée un ensemble de signaux qui présente des inversions de phase de 180 degrés à une distance d’une longueur d’onde et demie, avec un signal nul centré entre ces deux extrêmes de 180 degrés, produira une paire symétrique de faisceaux.
[0069] Jusqu’à présent, la discussion s’est concentrée sur les relations de phase précises entre les trois canaux du transducteur à réseau phasé à 20°. La portée de l’invention ne doit pas se limiter aux relations de phases précises énoncées dans la présente description. Une personne versée dans la technologie existante comprendrait qu’il n’est peut-être pas possible de contrôler les phases relatives entre les trois canaux avec une quelconque précision arbitraire. Par conséquent, les phases relatives réelles entre les trois canaux pourraient dévier dans une faible mesure. Il est souhaitable de maintenir les phases relatives proches des phases relatives nominales, comme indiqué dans les figures 6 et 8. La déviation des phases relatives par rapport aux valeurs nominales donne lieu à une altération des motifs de faisceau par rapport aux motifs nominaux illustrés sur les figures 9, 10 et 11. Le taux de réjection est défini comme la puissance du signal souhaité divisée par le signal non souhaité et peut être calculé en fonction de la discordance de gain et de phase entre les trois canaux. Le Canal 1 est le canal de référence et les paramètres de discordance de gain et de phase des canaux 2 et 3 par rapport au canal 1 sont a2, «3, ψ2^ψ3, respectivement. Les signaux des trois canaux peuvent être écrits sous la forme d’une somme des signaux souhaités et non souhaités, par exemple :
[0070] [0071] [Math.3]
V n J & 1 _i /y 2 t 0 = e + e
K6o = (1 , J (θ 1 + Φ 2 + π / 3) + Οί 2 ) + ( 1 + a2)e [0072]
[0073] où 0i et 02 sont des phases arbitraires du signal arrivant des deux faisceaux opposés dans les trois canaux. Après la formation de faisceaux, le faisceau 1 est analysé sans perte de généralité, et les deux composantes sont :
[0074] [0075]
[0076] où Bi( 1 ) est le signal souhaité arrivant de la direction du faisceau 1 et Bi(2) est le signal non souhaité arrivant de la direction du faisceau 2, qui est opposée au faisceau 1. Le taux de réjection en dB peut être approché comme suit :
[0077] [Math.5] η 1Λ1 i a 2 + a i ~ a 2a 3 + Φ 2 + Φ 3 _ Φ 2^ 3 ?>Φ 2 + 3
R = 101og10 \à-----3 9 3----------------------3 ) [0078] Les figures 9, 10 et 11 illustrent les schémas de faisceaux théoriques pour un réseau phasé circulaire d’un diamètre de 36 éléments, mis en œuvre à l’aide de la technologie décrite. Les figures 9 et 10 illustrent le schéma de faisceau pour un seul faisceau d’émission ou de réception à l’aide de la technologie décrite où l’exemple de schéma de faisceau 900 est pour un faisceau gauche et l’exemple de schéma de faisceau 1000 est pour un faisceau droit. La figure 11 illustre un schéma de faisceau 1100 pour une paire simultanée de faisceaux d’émission.
[0079] Le réseau d’éléments transducteurs peut être construit à partir d’éléments transducteurs individuels et discrets ou en découpant un même réseau de transducteurs en éléments, comme décrit dans la technologie existante.
[0080] Les technologues qualifiés comprendront que les informations et les signaux peuvent être représentés à l’aide d’une grande diversité de technologies et techniques différentes. Par exemple, les données, instructions, commandes, informations, signaux, bits, symboles et puces qui peuvent être référencés dans la description qui précède peuvent être représentés par des tensions, courants, ondes électromagnétiques, champs ou particules magnétiques, champs ou particules optiques, ou toute combinaison de ceux-ci.
[0081] Les technologues qualifiés apprécieront également que les divers blocs logiques, modules, circuits, méthodes et algorithmes décrits à titre d’illustration en relation avec les exemples présentés ici peuvent être mis en œuvre sous forme de matériel électronique, de logiciels informatiques ou de combinaisons des deux. Afin d’illustrer clairement cette interchangeabilité de matériel et de logiciels, divers composants, blocs, modules, circuits, méthodes et algorithmes ont été décrits ci-dessus de manière générale à titre d’illustration sur le plan de leur fonctionnalité. La mise en œuvre d’une telle fonctionnalité sous forme de matériel ou de logiciel dépend des contraintes particulières d’application et de conception imposées à l’ensemble du système. L’homme de l’art pourra mettre en œuvre la fonctionnalité décrite de différentes manières pour chaque application particulière, mais ces décisions de mise en œuvre ne doivent pas être interprétées comme entraînant un écart par rapport à la portée de la présente invention.
[0082] Les divers blocs logiques, modules et circuits décrits à titre d’illustration en relation avec les exemples donnés ici peuvent être implémentés ou exécutés avec un processeur généraliste, un processeur de signaux numériques (DSP), un circuit intégré spécifique à une application (ASIC), un réseau prédiffusé programmable par Γ utilisateur (LPGA) ou tout autre dispositif logique programmable, une logique discrète à grille ou transistor, des composants matériels discrets, ou toute combinaison de ceux-ci conçue pour réaliser les fonctions décrites ici. Un processeur généraliste peut être un microprocesseur, mais en variante, le processeur peut être tout(e) processeur, contrôleur, microcontrôleur ou machine d’état conventionnels. Un processeur peut également être mis en œuvre sous la forme d’une combinaison de dispositifs informatiques, par exemple une combinaison d’un DSP et d’un microprocesseur, d’une pluralité de microprocesseurs, d’un ou plusieurs microprocesseurs en association avec un cœur de DSP, ou toute autre configuration de ce type.
[0083] Les méthodes ou algorithmes décrits en relation avec les exemples présentés ici peuvent être incorporés directement dans un matériel, dans un module logiciel exécuté par un processeur, ou dans une combinaison des deux. Un module logiciel peut résider dans une mémoire RAM, une mémoire flash, une mémoire ROM, une mémoire EPROM, une mémoire EEPROM, des registres, un disque dur, un disque amovible, un CD-ROM ou toute autre forme appropriée de support de stockage de données actuellement connue ou susceptible d’être mise à disposition dans l’avenir. Un support de stockage peut être relié au processeur de manière à ce que celui-ci puisse lire et écrire des informations sur le support de stockage. En variante, le support de stockage peut faire partie intégrante du processeur. Le processeur et le support de stockage peuvent résider dans un ASIC.
[0084] Selon le mode de réalisation, certains actes, événements ou fonctions de l’une ou l’autre des procédés décrits ici peuvent être exécutés dans un ordre différent, peuvent être ajoutés, fusionnés ou laissés de côté (par ex. les actes ou événements décrits ne sont pas tous nécessaires à la pratique du procédé). De plus, dans certains modes de réalisation, des actes ou des événements peuvent être accomplis simultanément, plutôt que séquentiellement.
[0085] La description précédente des exemples décrits est fournie pour permettre à tout homme de l’art de fabriquer ou d’utiliser la présente invention. Diverses modifications de ces exemples apparaîtront aisément à l’homme de l’art, et les principes génériques définis ici peuvent être appliqués à d’autres exemples sans s’écarter de l’esprit ou de la portée de l’invention. Comme il apparaîtra, certains modes de réalisation des inventions décrites ici peuvent être réalisés sous une forme qui n’offre pas toutes les caractéristiques et tous les avantages exposés ici, car certaines caractéristiques peuvent être utilisées ou pratiquées séparément des autres. La portée de certaines inventions décrites ici est indiquée par les revendications en annexe plutôt que par la description qui précède. Toutes les modifications qui entrent dans la signification et la plage d’équivalence des revendications doivent être englobées dans la portée de ces dernières. Par conséquent, la présente invention n’est pas destinée à être limitée aux exemples présentés ici, mais doit se voir accorder la portée la plus large conformément aux principes et aux caractéristiques nouvelles divulgués dans le présent document.
[0086] Dans le but de résumer l’invention et les avantages obtenus par rapport à l’état de la technique, certains objets et avantages de l’invention ont été décrits ci-dessus. Il va de soi que ces objets ou avantages ne peuvent pas nécessairement tous être atteints selon un quelconque mode de réalisation particulier de l’invention. Ainsi, par exemple, l’homme de l’art reconnaîtra que l’invention peut être réalisée ou exécutée d’une manière qui permet d’obtenir ou d’optimiser un avantage ou un groupe d’avantages tel qu’enseigné ou suggéré ici sans nécessairement atteindre d’autres objets ou avantages susceptibles d’être enseignés ou suggérés ici.
[0087] Tous ces modes de réalisation sont destinés à être englobés dans la portée de l’invention décrite dans le présent document. Ces modes de réalisation, ainsi que d’autres, apparaîtront aisément à l’homme de l’art d’après la description détaillée qui suit des modes de réalisation préférés en référence aux figures jointes, l’invention n’étant pas limitée à un/de quelconque(s) mode(s) de réalisation préféré(s) particulier(s) décrit(s).

Claims (5)

  1. [Revendication 1] [Revendication
  2. 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7]
    Revendications
    Transducteur acoustique, comprenant :
    une pluralité d’éléments transducteurs agencés pour former un réseau, dans lequel les éléments sont reliés électriquement en groupes qui fonctionnent à la même phase électrique, dans lequel les phases de groupes adjacents d’éléments diffèrent d’entre environ 50 et 70 degrés ; et un circuit de formation de faisceaux dans lequel les signaux d’émission et de réception sont commandés avec des décalages de phase appropriés pour maintenir la différence de phase d’entre environ 50 et 70 degrés entre les groupes adjacents ;
    dans lequel le transducteur résultant génère des faisceaux d’émission et de réception qui sont inclinés nominalement de moins d’environ 30 degrés par rapport à un axe normal planaire du réseau. Transducteur acoustique selon la revendication 1, dans lequel les faisceaux acoustiques formés par le système sont dans une configuration Janus.
    Transducteur acoustique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les éléments transducteurs sont agencés pour former un réseau bidimensionnel unique, dans lequel les éléments sont reliés électriquement en lignes dans une première dimension et en colonnes dans une seconde dimension et les lignes sont électriquement indépendantes des colonnes, et la formation de faisceaux est appliquée pour générer un total de quatre faisceaux acoustiques.
    Transducteur acoustique selon l’une quelconque des revendications 1 à
  3. 3, dans lequel les éléments transducteurs sont agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales.
    Transducteur acoustique selon l’une quelconque des revendications 1 à
  4. 4, dans lequel le transducteur est utilisé pour mesurer la vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau. Transducteur acoustique selon l’une quelconque des revendications 1 à
  5. 5, dans lequel la dimension des éléments du réseau est d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son au voisinage du transducteur.
    Transducteur acoustique, comprenant :
    une pluralité d’éléments transducteurs de dimension entre environ 0,34 et 0,60 longueur d’onde à une vitesse nominale du son, agencés pour [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques ou polygonales ;
    un premier côté du transducteur constitué de connexions qui relient ensemble des lignes d’éléments de réseau pour former six groupes, dans lequel chaque groupe est décalé d’une ligne et est relié à une ligne sur six du premier côté ; et un second côté du transducteur constitué de connexions qui relient ensemble des colonnes d’éléments de réseau pour former six groupes, dans lequel chaque groupe est décalé d’une colonne et est relié à une colonne sur six du premier côté.
    Transducteur acoustique selon la revendication 7, dans lequel les éléments transducteurs sont agencés pour former sensiblement un motif circulaire.
    Transducteur acoustique selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le transducteur est utilisé pour mesurer la vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau.
    Transducteur acoustique selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel des faisceaux d’émission et de réception sont formés en appliquant des décalages de phase ou des temporisations aux groupes de signaux.
    Procédé de génération de quatre faisceaux acoustiques d’émission et de réception dans une configuration Janus avec un angle d’élévation inférieur à environ 30 degrés par rapport à un axe normal à un transducteur à réseau phasé acoustique, le procédé comprenant : la configuration d’un réseau du transducteur dans un mode émission ; la formation des faisceaux d’émission en générant des formes d’onde présentant une relation de phase relative appropriée sur six groupes de connexions de lignes de réseau et six groupes de connexions de colonnes de réseau ;
    la configuration du réseau dans un mode réception ; l’application de décalages de phase relative ou de temporisations correspondant à une valeur entre environ 50 et 70 degrés à six connexions de colonnes ou à six connexions de lignes ; et l’addition des signaux pour lesquels les décalages de phase ont été appliqués pour former les quatre faisceaux de réception.
    Procédé selon la revendication 11, dans lequel la vitesse relative entre le transducteur et les diffuseurs acoustiques dans l’eau ou la limite, y compris le fond marin, les calottes glaciaires ou la surface, est mesurée.
    [Revendication 13] [Revendication 14] [Revendication 15] [Revendication 16] [Revendication 17] [Revendication 18] [Revendication 19] [Revendication 20]
    Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la dimension des éléments du réseau est d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
    Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel les éléments du transducteur sont agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales.
    Système pour générer quatre faisceaux acoustiques d’émission et de réception dans une configuration Janus avec un angle d’élévation inférieur à environ 30 degrés par rapport à un axe normal à un transducteur à réseau phasé acoustique, le système comprenant : un moyen pour configurer un réseau du transducteur dans un mode émission ;
    un moyen pour former les faisceaux d’émission en générant des formes d’onde présentant une relation de phase relative appropriée sur six groupes de connexions de lignes de réseau et six groupes de connexions de colonnes de réseau ;
    un moyen pour configurer le réseau dans un mode réception ;
    un moyen pour appliquer des décalages de phase relative ou des temporisations correspondant à une valeur entre environ 50 et 70 degrés à six connexions de colonnes ou six connexions de lignes ; et un moyen pour additionner les signaux pour lesquels les décalages de phase ont été appliqués pour former les quatre faisceaux de réception. Système selon la revendication 15, dans lequel la dimension des éléments du réseau est d’environ 0,50 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
    Système selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les éléments du transducteur sont agencés pour former sensiblement un motif sélectionné parmi le groupe constitué de formes circulaires, elliptiques et polygonales.
    Système selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, ou procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel l’angle d’élévation est nominalement de 20 degrés.
    Système selon l’une quelconque des revendications 15 à 18, ou procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel les décalages de phase relative ou temporisations correspondent à une valeur d’environ 60 degrés.
    Système selon l’une quelconque des revendications 15 à 19 ou procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel la dimension des éléments du réseau est d’environ 0,49 longueur d’onde à une vitesse nominale du son.
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