FR2690033A1 - Linear aerial for underwater detection - includes groups of sensors with weighting applied to outputs in order to minimise noise effects - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de réalisation d'une antenne linéaire
remorquée et antenne réalisée selon ce procédé.Method of producing a linear antenna
towed and antenna made by this method.
L'invention concerne un procédé de réalisation d'une antenne remorquée et plus particulièrement un procédé de réalisation visant à obtenir une réjection de certains types de bruit sur ces antennes, notamment les bruits mécaniques et les bruits d'écoulement. The invention relates to a method for producing a towed antenna and more particularly to a production method for obtaining a rejection of certain types of noise on these antennas, in particular mechanical noise and flow noise.
L'invention concerne également une antenne réalisée selon ce procédé. The invention also relates to an antenna made according to this method.
Une antenne linéaire remorquée est en général formée d'un chapelet de capteurs acoustiques, par exemple des hydrophones, placés à l'intérieur d'une structure cylindrique. C'est cette structure qui est remorquée à des fins, par exemple, de prospection sous-marine. A towed linear antenna is generally formed of a string of acoustic sensors, for example hydrophones, placed inside a cylindrical structure. It is this structure that is towed for purposes, for example, underwater prospecting.
Un des paramètres importants d'une telle antenne est le paramètre directivité. La directivité est fonction du rapport (X/L) avec X longueur de l'onde à détecter et L longueur de l'antenne. One of the important parameters of such an antenna is the directivity parameter. The directivity is a function of the ratio (X / L) with X length of the wave to be detected and L length of the antenna.
Pour utiliser l'antenne dans une large bande de fréquences, typiquement plusieurs octaves, on traite les signaux des capteurs par tronçons d'antenne de différentes longueurs. To use the antenna in a wide band of frequencies, typically several octaves, the signals of the sensors are processed by antenna sections of different lengths.
On affecte une antenne de longueur donnée à une octave de fréquences, par exemple f à 2f, et une antenne de longueur double à l'octave f/2 à f; f étant une valeur de fréquence donnée. An antenna of given length is assigned to an octave of frequencies, for example f to 2f, and an antenna of double length to octave f / 2 to f; f being a given frequency value.
Dans un mode de réalisation particulier, on imbrique ces deux antennes en utilisant pour la deuxième antenne (octave f/2 à f) une partie des capteurs de la première antenne. Physiquement l'antenne se compose d'un tronçon central comprenant (4N + 1 ) capteurs équidistants, au pas Po dépendant de la longueur d'onde minimum de l'octave considéré (f à 2fil. On ajoute, de part et d'autre de ce tronçon central pour chaque octave "k" inférieur 2N capteurs au pas 2kPo (avec k=1,2,3...)
En réalité, le plus souvent, on forme des groupements de capteurs en parallèle que l'on appellera dans ce qui suit macrocapteurs. Ces "macrocapteurs" sont encore appelés "clusters" dans la terminologie anglo-saxonne. Le nombre de capteurs dans chaque groupement n'est pas identique mais le pas intercapteur redevient constant et égal à Pg. In a particular embodiment, these two antennas are imbricated by using for the second antenna (octave f / 2 to f) a portion of the sensors of the first antenna. Physically the antenna consists of a central section comprising (4N + 1) equidistant sensors, at pitch Po depending on the minimum wavelength of the octave considered (f at 2 wire. of this central section for each octave "k" lower 2N sensors at step 2kPo (with k = 1,2,3 ...)
In reality, most often, parallel sensor groups are formed which will be referred to in the following as macrosensors. These "macrosensors" are also called "clusters" in the English terminology. The number of sensors in each grouping is not identical but the intercapteur pitch becomes constant and equal to Pg.
De façon générale, plus on s'éloigne du centre de l'antenne des deux côtés, plus le nombre de capteurs dans chaque groupement est important.In general, the further one moves away from the center of the antenna on both sides, the greater the number of sensors in each grouping.
L'invention concerne une antenne de ce type, comprenant des groupements de capteurs. The invention relates to an antenna of this type, comprising sensor groups.
Les antennes remorquées sont soumises à un certain nombre de phénomènes parasites. En particulier, il est connu que le remorquage de l'antenne est la cause de bruits de diverses natures. Ces bruits proviennent essentiellement, d'une part, du câble de remorquage (bruit mécanique) et, d'autre part, du bruit d'écoulement. The towed antennas are subject to a number of parasitic phenomena. In particular, it is known that the towing of the antenna is the cause of noises of various kinds. These noises come mainly from the towing cable (mechanical noise) and from the flow noise.
Pour diminuer la première source de bruit, il est connu d'insérer en tête de l'antenne un tronçon amortisseur tel que décrit, par exemple, dans la demande de brevet français nO 2 626 051, publiée le 9 février 1990. To reduce the first source of noise, it is known to insert at the head of the antenna a damper section as described, for example, in French Patent Application No. 2,626,051, published February 9, 1990.
L'invention se propose de pallier les inconvénients de l'art connu, en particulier, les inconvénients causés par les bruits mécaniques ou d'écoulement. The invention proposes to overcome the drawbacks of the known art, in particular, the disadvantages caused by mechanical noise or flow.
- Les bandes de fréquences des bruits rappelés sont situées dans la partie basse du spectre d'écoute. Comme il a été rappelé, plus on s'éloigne du centre de l'antenne plus les groupements comprennent un nombre important de capteurs. Or, c'est précisément les tronçons d'antenne les plus longs qui sont destinés à l'écoute des fréquences les plus basses, c'est-à-dire ceux qui comprennent le plus de macrocapteurs. - The frequency bands of the recalled noises are located in the lower part of the listening spectrum. As it was recalled, the further away from the center of the antenna, the groups comprise a large number of sensors. However, it is precisely the longest antenna sections that are intended to listen for the lowest frequencies, that is to say those that include the most macrosensors.
La théorie montre par ailleurs qu'une pondération des hydrophones au sein d'un groupement permet d'améliorer le rapport signal sur bruit. The theory also shows that a weighting of the hydrophones within a group makes it possible to improve the signal-to-noise ratio.
L'invention tire parti de ces caractéristiques. The invention takes advantage of these features.
Elle propose un procédé de réalisation d'antennes permettant d'obtenir simplement une pondération des groupements de capteurs en effectuant un câblage série-parallèle sélectif de ceux-ci. It proposes a method of producing antennas making it possible to simply obtain a weighting of the sensor groups by performing selective serial-parallel wiring of these.
L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'une antenne linéaire remorquée constituée de capteurs distribués, ladite antenne comprenant au moins un assemblage de groupes de capteurs au sein duquel on effectue une pondération selon une loi déterminée, chaque groupe comprenant, au moins un capteur ; caractérisé en ce qu'on effectue ladite pondération par câblage sélectif en série de capteurs dudit assemblage, les autres capteurs étant câblés en parallèle de manière à obtenir une courbe de pondération approchant ladite loi de pondération déterminée. The subject of the invention is therefore a method for producing a towed linear antenna consisting of distributed sensors, said antenna comprising at least one assembly of sensor groups in which weighting is carried out according to a given law, each group comprising, at minus one sensor; characterized in that said weighting is performed by selective serial wiring of sensors of said assembly, the other sensors being wired in parallel so as to obtain a weighting curve approaching said determined weighting law.
L'invention a encore pour objet une antenne ainsi réalisée. The invention also relates to an antenna thus produced.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en regard des figures annexées et parmi lesquelles
- les figures 1 et 2 illustrent schématiquement des antennes
selon l'art connu,
- les figures 3 et 4 sont des diagrammes illustrant l'effet de la
célérité du bruit sur le gain de groupement en fonction de la
fréquence, pour une structure d'antenne déterminée,
- la figure 5 est un diagramme illustrant le gain de groupement
d'un macrocapteur en fonction de la fréquence sans pondération
- les figures 6 et 7 illustrent l'effet de deux lois de pondération
distinctes sur le gain de groupement de ce même
macrocapteur,
- la figure 8 illustre, par un diagramme, un aspect particulier du
procédé de pondération selon l'invention,
- les figures 9 et 10 illustrent schématiquement deux
macrocapteurs réalisés selon le procédé de l'invention,
- la figure 1 1 est un diagramme illustrant la pondération
associée au macrocapteur de la figure 10,
- la figure 12 illustre de façon plus complète un exemple de
réalisation de macrocapteur selon l'invention utilisable dans la
gamme de fréquences 40-80Hz,
- les figures 13 et 14 sont des diagrammes permettant de
comparer le macrocapteur de la figure 12 à un macrocapteur
équivalent de l'art connu,
- la figure 15 illustre de façon plus complète un exemple de
réalisation de macrocapteur selon l'invention utilisable dans la
gamme de fréquences 10-40Hz,
- les figures 16 et 17 sont des diagrammes permettant de
comparer le macrocapteur de la figure 15 à un macrocapteur
équivalent de l'art connu.The invention will be better understood and other features and advantages will appear on reading the description which follows with reference to the appended figures and among which
FIGS. 1 and 2 schematically illustrate antennas
according to the known art,
FIGS. 3 and 4 are diagrams illustrating the effect of the
speed of the noise on the grouping gain according to the
frequency, for a given antenna structure,
FIG. 5 is a diagram illustrating the group gain
a macrosensor as a function of frequency without weighting
FIGS. 6 and 7 illustrate the effect of two weighting laws
distinct on the grouping gain of that same
macrocapteur,
FIG. 8 illustrates, by a diagram, a particular aspect of the
weighting method according to the invention,
FIGS. 9 and 10 schematically illustrate two
macrosensors made according to the method of the invention,
FIG. 11 is a diagram illustrating the weighting
associated with the macrosensor of Figure 10,
- Figure 12 illustrates more fully an example of
realization of a macrosensor according to the invention that can be used in the
frequency range 40-80Hz,
FIGS. 13 and 14 are diagrams for
compare the macrosensor of Figure 12 with a macro-sensor
equivalent of the known art,
- Figure 15 illustrates more fully an example of
realization of a macrosensor according to the invention that can be used in the
frequency range 10-40Hz,
FIGS. 16 and 17 are diagrams for
compare the macrosensor of Figure 15 with a macro-sensor
equivalent of the known art.
La configuration d'une antenne linéaire remorquée selon l'art connu va tout d'abord être rappelée brièvement. The configuration of a linear antenna towed according to the known art will first be recalled briefly.
La figure 1 illustre schématiquement une antenne linéaire du type dit "imbriqué". Le tronçon central comporte généralement (4N + 1) capteurs. Dans un but de simplification, on a choisi N = 1. Le tronçon central, destiné à traiter l'octave de fréquences f à 2f comporte donc cinq capteurs : H 2, H 1, Ho, H1, H2, tous équidistants. Le pas intercapteur est Po dépendant de la longueur d'onde minimale à capter. Figure 1 schematically illustrates a linear antenna of the type called "nested". The central section usually includes (4N + 1) sensors. For the sake of simplification, N = 1 was chosen. The central section intended to process the octave of frequencies f at 2f therefore comprises five sensors: H 2, H 1, Ho, H 1, H 2, all equidistant. The inter-sensor pitch is Po dependent on the minimum wavelength to be sensed.
On a représenté sur la partie inférieure de la figure, un axe X'X gradué en pas Pg. In the lower part of the figure is shown an X'X axis graduated in steps Pg.
Ce tronçon central forme l'antenne référencée A. This central section forms the antenna referenced A.
De part et d'autre de ce tronçon, on a rajouté N capteurs au pas 2Po, soit au total 2N. Dans l'exemple N =1 et les capteurs rajoutés sont H 3 et H3. On prélève un capteur sur deux du tronçon central pour constituer, avec les capteurs latéraux une antenne homothétique de la première au pas 2Po et de longueur double. Cette "sous-antenne", B sur la figure, est destinée à traiter l'octave f à f/2. On both sides of this section, N sensors were added at 2Po, which is a total of 2N. In the example N = 1 and the added sensors are H 3 and H 3. We take one sensor out of two of the central section to form, with the side sensors a homothetic antenna of the first step 2Po and double length. This "sub-antenna", B in the figure, is intended to treat the octave f to f / 2.
Le plus souvent, la configuration d'une antenne linéaire n'est pas celle qui vient d'être décrite. Elle est formée de capteurs tous au pas Po et on regroupe en parallèle, de façon sélective, des capteurs pour former des macrocapteurs. Une telle disposition est illustrée par la figure 2. Ceci permet certains avantages, en particulier un gain de groupement
L'antenne illustrée sur la figure 2 comprend trois sous-antennes A, B, C destinées à couvrir trois octaves.Most often, the configuration of a linear antenna is not the one just described. It is formed of sensors all at Po pitch and is grouped in parallel, selectively, sensors to form macrosensors. Such an arrangement is illustrated in FIG. 2. This allows certain advantages, in particular a group gain.
The antenna illustrated in Figure 2 comprises three sub-antennas A, B, C to cover three octaves.
On a choisit, comme précédemment, N = 1. Le tronçon central Tc comporte donc (4N + 1) = 5 capteurs et constitue l'antenne A. We have chosen, as before, N = 1. The central section Tc thus comprises (4N + 1) = 5 sensors and constitutes the antenna A.
L'antenne B "prélève" un capteur sur deux du tronçon central comme précédemment. Cependant les parties latérales de cette sous antenne sont constituées par des groupements de capteurs ou macrocapteurs comprenant chacun trois capteurs individuels. Ces macrocapteurs sont repérés MC11 et MC2+1. The antenna B "takes" one sensor out of two of the central section as before. However, the lateral parts of this sub-antenna are constituted by groups of sensors or macrosensors each comprising three individual sensors. These macrosensors are labeled MC11 and MC2 + 1.
Enfin la sous-antenne C est constituée du capteur central du tronçon Tc, des macrocapteurs MC11 et MC2 2 ainsi que de deux macrocapteurs supplémentaires : MC2 1 et MC2+1. Ces deux derniers comportent chacun cinq capteurs. Finally, the sub-antenna C consists of the central sensor of the section Tc, the macrosensors MC11 and MC2 2 as well as two additional macro-sensors: MC2 1 and MC2 + 1. These last two each comprise five sensors.
L'ensemble est parfaitement symétrique par rapport à l'abscisse 0 (axe X'X) et comporte au total 21 capteurs, tous au pas Po
On va maintenant rappeler les types de bruits rencontrés sur les antennes linéaires remorquées. Ces bruits sont d'origines et de natures différentes. En adoptant des mesures particulières, on peut espérer augmenter le rapport "signal utile sur bruit" que l'on appellera dans ce qui suit: [S i B]. Cependant ce gain potentiel dépend essentiellement des caractéristiques de cohérence, d'isotropie et d'homogénéité des différents bruits.The set is perfectly symmetrical with respect to the abscissa 0 (X'X axis) and comprises a total of 21 sensors, all in pitch Po
We will now recall the types of noise encountered on towed linear antennas. These noises are of different origins and natures. By adopting special measures, we can hope to increase the ratio "useful signal on noise" which will be called in the following: [S i B]. However, this potential gain essentially depends on the characteristics of coherence, isotropy and homogeneity of the different noises.
Le tableau 1 placé en fin de la présente description résume les principaux types de bruits, leurs natures et caractéristiques ainsi que les gains en [S / B] potentiels
Dans ce qui suit, on va s'attacher essentiellement à deux types de bruits dont les amplitudes respectives sont particulièrement élevées, c'est-à-dire le bruit mécanique et le bruit d'écoulement, et dont les spectres sont de supports fréquentiels différents. En effet, I'expérience et les modélisations ont montré que le bruit mécanique est essentiellement gênant pour les fréquences inférieures à 80Hz, alors que le bruit d'écoulement est nuisible entre 80 - 160 Hz. Ceci n'est toutefois vrai que si le bruit mécanique est réduit par l'adjonction d'amortisseurs.Table 1 at the end of this description summarizes the main types of noise, their nature and characteristics, and the potential [S / B] gains.
In what follows, we will focus essentially on two types of noise whose respective amplitudes are particularly high, that is to say the mechanical noise and the flow noise, and whose spectra are of different frequency media . Indeed, experience and modeling have shown that mechanical noise is essentially troublesome for frequencies below 80 Hz, while flow noise is harmful between 80 - 160 Hz. This is only true, however, if noise mechanical is reduced by the addition of dampers.
Dans le cas contraire, le bruit mécanique est prépondérant jusqu'à 300 Hz. Des dispositions pour réduire le bruit mécanique sont connues, par exemple celles décrites dans la demande de brevet français précitée.In the opposite case, the mechanical noise is predominant up to 300 Hz. Provisions for reducing the mechanical noise are known, for example those described in the aforementioned French patent application.
Dans le cas de bruit d'écoulement, le pas intercapteur doit être supérieur à la longueur de corrélation spatiale de l'excitation pariétale ce qui impose un nombre de capteurs faible pour une longueur de groupement donnée. La longueur lc de corrélation est donnée par la relation : lc = 0,7.v/f, avec v vitesse de remorquage (m/s) et f fréquence minimale de travail. In the case of flow noise, the inter-sensor pitch must be greater than the spatial correlation length of the parietal excitation, which imposes a low number of sensors for a given grouping length. The length lc of correlation is given by the relation: lc = 0.7.v / f, with v towing speed (m / s) and f minimum working frequency.
Le bruit mécanique est un bruit corrélé, propagé suivant un mode particulier peu dispersif jusqu'à 160 Hz. On peut donc tracer la transformée de Fourier spatiale en nombres d'ondes pour une célérité donnée: C. La célérité C doit être entendue comme la vitesse de propagation du bruit à l'intérieur de la structure de l'antenne. Cette transformée dépend naturellement de la distribution spatiale des capteurs (longueur des macrocapteurs, échantillonnage c'est-à-dire le pas intercapteur). Typiquement un macrocapteur de longueur I, échantillonné suivant un pas d et composé de capteurs câblés en parallèle présente une "directivité fréquentielle" telle que les zéros sont à nC/I (n étant le numéro du lobe secondaire) .les lobes secondaires sont à (2n + 1) C/21 (1) le niveau du premier et deuxième lobe secondaire -13 et - 18dB .le lobe image est à CId (2)
La relation (1) est intéressante car elle montre que si l'on désire une réjection de bruit, de l'ordre de +20 dB dans une bande 20 - 40 Hz, il faut que la relation suivante soit vérifiée 30 > (2n + 1) C/21 avec n = 2 et C = 100 m/s soit 1 > 8,33 m, valeur indépendante de l'échantillonnage.Mechanical noise is a correlated noise, propagated in a particular mode that is not very dispersive up to 160 Hz. We can therefore plot the spatial Fourier transform in wave numbers for a given celerity: C. Celerity C must be understood as the velocity of propagation of the noise inside the structure of the antenna. This transform naturally depends on the spatial distribution of the sensors (length of the macrosensors, sampling that is to say the not-intercapteur pitch). Typically, a length-wise sampler I, sampled in a step d and composed of sensors wired in parallel has a "frequency directivity" such that the zeros are at nC / I (n being the number of the secondary lobe). 2n + 1) C / 21 (1) the level of the first and second secondary lobe -13 and -18dB .the image lobe is at CId (2)
Relation (1) is interesting because it shows that if we want a rejection of noise, of the order of +20 dB in a band 20 - 40 Hz, it is necessary that the following relation be verified 30> (2n + 1) C / 21 with n = 2 and C = 100 m / s, ie 1> 8,33 m, value independent of the sampling.
L'équation (2), de même, montre que si l'on désire rejeter le lobe image au-delà de 160 Hz, il faut C/d > 1 60 soit d < C/1 60 - 0,625 m.Equation (2), likewise, shows that if it is desired to reject the image lobe beyond 160 Hz, then C / d> 1 60 is required, ie d <C / 1 60 - 0.625 m.
On note que plus la vitesse C est importante et moins grande sera l'efficacité d'un macrocapteur dans la mesure où le spectre va "s'étaler" vers les fréquences hautes. Les premiers lobes de rejection sont moins performants en terme de niveaux et remontent alors dans la bande de travail. It should be noted that the higher the speed C is, the less effective is a macrosensor since the spectrum will "spread" towards the high frequencies. The first lobes of rejection are less efficient in terms of levels and then go up in the band of work.
Les figures 3 et 4 illustrent l'effet de la célérité, pour une même configuration de macrocapteur. Le nombre N de capteur choisi dans l'exemple est 8 capteurs de pas intercapteurs 0,52 m, pour la bande 4080 Hz. Figures 3 and 4 illustrate the effect of celerity, for the same macrosensor configuration. The number N of the sensor chosen in the example is 8 step sensors 0.52 m for the 4080 Hz band.
La figure 3 illustre le gain de groupement (en dB) en fonction de la fréquence F (Hz) pour une vitesse de propagation du mode lent dit de gaine C = 100 m/s. FIG. 3 illustrates the group gain (in dB) as a function of the frequency F (Hz) for a speed of propagation of the so-called sheath mode C = 100 m / s.
On a représenté sur cette figure deux courbes : C1 et C2. La courbe C1 est une courbe théorique ne tenant pas compte des amortissements apportés par la structure de l'antenne. La courbe C'1 en tient compte et représente le mode lent dit "dissipatif". This figure shows two curves: C1 and C2. Curve C1 is a theoretical curve that does not take into account the damping provided by the structure of the antenna. The curve C'1 takes into account and represents the slow mode said "dissipative".
La figure 4 illustre le gain de groupement en fonction de la fréquence dans les mêmes conditions (nombre de capteurs, etc...) mais pour C = 200 m/s. Les courbes C2 et C'2 représentent, comme précédemment, le mode non dissipatif et le mode dissipatif. FIG. 4 illustrates the group gain as a function of the frequency under the same conditions (number of sensors, etc.) but for C = 200 m / s. The curves C2 and C'2 represent, as before, the non-dissipative mode and the dissipative mode.
On voit à l'examen de ces courbes que la rejection moyenne vaut -18 dB (2ème lobe secondaire) pour C = 100 m/s et -13 dB (1er lobe secondaire) pour C = 200 m/s. It can be seen from these curves that the average rejection is -18 dB (2nd secondary lobe) for C = 100 m / s and -13 dB (1st secondary lobe) for C = 200 m / s.
D'autre part, des stimulations ont montré que la célérité du premier mode guidé, par une antenne linéaire de diamètre 85 cm est de l'ordre de 100 m/s et, pour une antenne linéaire de diamètre 45 cm de l'ordre de 160 m/s. Autrement dit, I'efficacité d'un macrocapteur dépend du diamètre de la structure cylindrique de l'antenne. On the other hand, stimulations have shown that the speed of the first guided mode, by a linear antenna of 85 cm diameter is of the order of 100 m / s and, for a linear antenna of diameter 45 cm of the order of 160 m / s. In other words, the efficiency of a macro-sensor depends on the diameter of the cylindrical structure of the antenna.
- Les macrocapteurs, dans la configuration qui vient d'être rappelée, présentent donc un certain nombre de limitations. - The macrosensors, in the configuration that has just been recalled, therefore have a number of limitations.
La théorie montre qu'il est possible d'améliorer, notamment le rapport [S i B] précité en appliquant le long du macrocapteur des pondérations d'amplitude de manière à ce que la transformée spatiale de celui-ci présente une directivité plus adaptée à l'application envisagée. The theory shows that it is possible to improve, in particular the above-mentioned ratio [S i B] by applying amplitude weightings along the macro-sensor so that the spatial transform thereof has a directivity more adapted to the intended application.
En effet, on recherche une rejection maximale dans une bande de fréquence donnée (souvent en basse fréquence). Indeed, we seek a maximum rejection in a given frequency band (often low frequency).
Pour illustrer le procédé de pondération, on a choisi un macrocapteur de 9 capteurs individuels de pas 0,52 m adapté pour la bande 40-80 Hz. On a choisi deux types de pondération : la pondération dite "cosinus sur-remonté" et la pondération "triangle". To illustrate the weighting method, we chose a macro-sensor of 9 individual 0.52 m pitch sensors adapted for the 40-80 Hz band. We chose two types of weighting: the so-called "cosine sur-remonté" weighting and the "triangle" weighting.
Avec ou sans pondération, on a calculé les courbes de transformées de Fourier spatiale, pour les modes lents non dissipatif et dissipatifs; dans tous les cas pour une célérité de mode de gain C = 100 m/s. With or without weighting, spatial Fourier transform curves were calculated for non-dissipative and dissipative slow modes; in any case for a gain mode celerity C = 100 m / s.
La figure 5 est un diagramme illustrant le cas pour lequel il n'y a pas de pondération. Le deuxième lobe secondaire est à -18 dB à 55 Hz. Figure 5 is a diagram illustrating the case for which there is no weighting. The second secondary lobe is at -18 dB at 55 Hz.
La courbe C3 illustre le mode non-dissipatif et la courbe C'3 le mode dissipatif, qui est un mode tenant compte des conditions réelles. Le choix d'une pondération en cosinus sur-remonté (figure 6) ou loi triangulaire (figure 7) permet d'atteindre -25 dB ou plus à la même fréquence. II est à noter que cette pondération n'affecte pas la performance acoustique car le capteur reste petit devant la longueur d'onde acoustique. Les courbes correspondantes sont C4 et C'4 (figure 6) et C5 et C'5 (figure 7).The curve C3 illustrates the non-dissipative mode and the curve C'3 the dissipative mode, which is a mode taking into account the real conditions. The choice of an up-winded cosine weighting (Figure 6) or a triangular law (Figure 7) makes it possible to reach -25 dB or more at the same frequency. It should be noted that this weighting does not affect the acoustic performance because the sensor remains small in front of the acoustic wavelength. The corresponding curves are C4 and C'4 (Figure 6) and C5 and C'5 (Figure 7).
Naturellement, le gain de groupement peut être amélioré par application de pondérations de Tchebychev ou d'autres techniques d'apodisation.Naturally, the grouping gain can be improved by applying Chebyshev weights or other apodization techniques.
Classiquement, I'obtention de pondérations, telles qu'elles viennent d'être décrites, nécessitent cependant le recours à des circuits électroniques complexes associés aux capteurs. Conventionally, the obtaining of weights, as just described, however require the use of complex electronic circuits associated with the sensors.
L'invention tout au contraire propose un procédé de permettant d'obtenir très simplement une pondération selon un gabarit donné. On the contrary, the invention proposes a method of making it possible to very simply obtain a weighting according to a given template.
La pondération est obtenue en réalisant un câblage série-parallèle sélectif des capteurs à l'intérieur d'un macrocapteur. Tous les capteurs ont, dans une variante préférée de l'invention, les mêmes caractéristiques de sensibilité (Sh) et d'impédance (Zh). On réalise donc un macrocapteur composé de v groupes de capteurs câblés en parallèle. The weighting is achieved by performing selective serial-parallel wiring of the sensors within a macrosensor. All the sensors have, in a preferred variant of the invention, the same characteristics of sensitivity (Sh) and impedance (Zh). A macrosensor is thus made composed of v groups of sensors wired in parallel.
A l'intérieur d'un groupe, les capteurs sont câblés en série.Inside a group, the sensors are wired in series.
Le procédé va maintenant être détaillé. On sait que pour un groupe composé de n hydrophones en série, le signal délivré vaut la somme vectorielle des signaux délivrés par chacun des transducteurs et que l'impédance vaut la somme des impédances. The process will now be detailed. It is known that for a group composed of n hydrophones in series, the delivered signal is equal to the vector sum of the signals delivered by each of the transducers and that the impedance is the sum of the impedances.
Pour un groupe i d'hydrophones en série, le signal de sortie obéit à la relation S Cl = z s k (pour hydrophones) (3)
k=1,ni relation dans laquelle Sik est le signal engendré par le bruit pour un hydrophone k quelconque avec 1 < k < ni l'impédance est donnée par la relation
(3 bis)
On montre simplement par récurrence que le signal délivré par un macrocapteur composé de v groupes tels que décrit ci-dessus câblés en parallèle, vaut
For a group i of hydrophones in series, the output signal obeys the relation S C1 = zsk (for hydrophones) (3)
k = 1, no relation in which Sik is the signal generated by the noise for any hydrophone k with 1 <k <nor the impedance is given by the relation
(3a)
It is simply shown by recurrence that the signal delivered by a macro-sensor composed of v groups as described above wired in parallel is worth
On note
le poids du groupe i comme étant égal au produit multiple du nombre de capteurs composant les autres groupes.We notice
the weight of the group i being equal to the product multiple of the number of sensors composing the other groups.
Selon une variante préférée du procédé selon l'invention, pour une loi de pondération prédéfinie on s'approchera au mieux de cette loi à l'aide d'une méthode graphique que l'on va maintenant décrire. According to a preferred variant of the method according to the invention, for a predefined weighting law it will approach the best of this law using a graphical method that will now be described.
La figure 8 illustre le procédé permettant de s'approcher d'une loi de pondération optimale en réalisant un câblage sélectif série-parallèle des capteurs à l'intérieur des macrocapteurs. FIG. 8 illustrates the method for approaching an optimal weighting law by performing selective serial-parallel wiring of the sensors within the macrosensors.
On a représenté sur la figure 8, la courbe optimale C6 de pondération en tension à obtenir en fonction de la position des capteurs. FIG. 8 shows the optimum voltage weighting curve C6 to be obtained as a function of the position of the sensors.
On a illustré le procédé par une courbe dite en "cosinus surremonté". II s'agit d'une portion de la fonction cosinus. La pondération obtenue par le câblage série-parallèle va se traduire par une courbe en escalier C'6
Chaque "marche" correspond à un groupe i de nj capteurs connectés en série.The process has been illustrated by a so-called "cosine surrendered" curve. This is a portion of the cosine function. The weighting obtained by the serial-parallel wiring will result in a staircase curve C'6
Each "step" corresponds to a group i of nj sensors connected in series.
II apparaît que chaque aire, délimitée par n1 capteur et par sa hauteur Pi, vaut
Ai = n1 Pi (7) Ai =ni II nj= ll ni (8) j*1 i= 1,v terme constant pour toute aire.It appears that each area delimited by n1 sensor and by its height Pi is
## EQU1 ## where ## EQU1 ## is a constant term for any area.
Chaque aire a une valeur constante, de poids fort pour peu de capteurs, de poids faible pour beaucoup de capteurs. On peut diminuer la hauteur d'une aire par deux en câblant en série des capteurs positionnés symétriquement de part et d'autre du maximum (ce qui revient à doubler le nombre de capteurs par deux pour ce groupe). Each area has a constant value, heavy weight for few sensors, low weight for many sensors. One can reduce the height of an area by two by wiring in series sensors positioned symmetrically on either side of the maximum (which amounts to doubling the number of sensors by two for this group).
Sur la figure 8, on a indiqué les aires A1 à As et les poids P1 à
P5. Compte tenu de ce qui précède il apparaît qu'il est impossible de suivre strictement une courbe continue. On approche cette courbe par une succession de plateaux hauts et courts (qualificatif se rapportant au poids et nombre de capteurs respectivement) ou plats et longs.In FIG. 8, the areas A1 to As and the weights P1 to
P5. In view of the foregoing it appears that it is impossible to strictly follow a continuous curve. This curve is approached by a succession of high and short trays (qualifier referring to the weight and number of sensors respectively) or flat and long.
La relation (3) peut également être utilisée pour exprimer le signal délivré par un capteur sous l'effet d'un signal acoustique utile. Dans ce cas, cependant, tous les capteurs délivrent le même signal, proportionnel à la sensibilité Sh que l'on a supposée constante d'un capteur à l'autre. The relation (3) can also be used to express the signal delivered by a sensor under the effect of a useful acoustic signal. In this case, however, all the sensors deliver the same signal, proportional to the sensitivity Sh that has been assumed constant from one sensor to the other.
Le macrocapteur est omnidirectionnel. On a choisit sa longueur inférieure à k/4, X étant la longueur d'onde du signal acoustique écouté.The macrosensor is omnidirectional. Its length was chosen to be less than k / 4, where X is the wavelength of the acoustic signal heard.
On utilisera dans ce qui suit l'indice "a" pour indiquer qu'il s'agit du signal acoustique. In the following will be used the index "a" to indicate that it is the acoustic signal.
II s'ensuit que le signal délivré par un groupement i de n1 capteurs en série obéit à la relation S1a=nI.Sh (9)
On peut noter que
It follows that the signal delivered by a group i of n1 sensors in series obeys the relation S1a = nI.Sh (9)
It can be noted that
La relation (4) devient, en utilisant la relation (3)
The relation (4) becomes, using the relation (3)
La suite
a pour poids principal le terme provenant du groupe central , présentant le poids le plus fort (et donc un nombre de capteurs minimum : 1 ou 2 par exemple). La prise en compte des autres groupes modifie peu la valeur de cette suite, autrement dit: Z est sensiblement constant quelque soit le nombre de groupes et dépend simplement du nombre de groupes à faible nombre de capteurs. Sa dépend directement du nombre de groupes générant le signal total.The following
its main weight is the term coming from the central group, presenting the strongest weight (and therefore a minimum number of sensors: 1 or 2 for example). Taking into account the other groups does not modify the value of this sequence, in other words: Z is substantially constant regardless of the number of groups and simply depends on the number of groups with a low number of sensors. It depends directly on the number of groups generating the total signal.
Pour fixer les idées et illustrer plus complètement le procédé de l'invention, on va considérer un macrocapteur tel qu'illustré schématiquement par la figure 9. Il y a sept groupes de capteurs référencés G-3 à G3. Les capteur H-4 et H-3 sont en séries ; H3 et H4 sont en séries ; H 2 à H2 sont isolés. Le poids de chaque capteur H-2 à H2vautP1= li soit PO = 2.1.1.1.1.2 = 4 (relation (6)). To fix the ideas and to illustrate more completely the method of the invention, we will consider a macro-sensor as shown schematically in Figure 9. There are seven groups of sensors referenced G-3 to G3. The H-4 and H-3 sensors are in series; H3 and H4 are in series; H2 to H2 are isolated. The weight of each sensor H-2 at H2vautP1 = li is PO = 2.1.1.1.1.2 = 4 (relation (6)).
joi
Le groupe G3 composé des capteurs H3 et H4, présente le poids
P3 = 2.1.1.1.1.1 = 2
Les capteurs des groupes G 3 et G3 se trouvent donc pondérés à 0,5 par rapport aux capteurs H-2 à H2.
joi
Group G3 composed of H3 and H4 sensors, presents the weight
P3 = 2.1.1.1.1.1 = 2
The sensors of groups G 3 and G 3 are therefore weighted at 0.5 with respect to the sensors H-2 to H2.
(relation (10))
Le signal acoustique et l'impédance de ce macrocapteur valent respectivement: Sa=ZSh et Z z=Lh (relations (12) et (13) ou Sa = 1,167 Sh. (relation (10))
The acoustic signal and the impedance of this macrosensor are respectively: Sa = ZSh and Z z = Lh (relations (12) and (13) or Sa = 1,167 Sh.
6 6
On peut étendre le macrocapteur ainsi défini, en adjoignant de part et d'autre, d'autres groupes de capteurs.6 6
The macrosensor thus defined can be extended by adding on either side other groups of sensors.
La figure 10 illustre une telle réalisation. La zone centrale est constituée par le macrocapteur de la figure 9, repéré MC11 et on a ajouté un groupe de quatre capteurs, en série de part et d'autre de la zone centrale. L'ensemble forme un nouveau macrocapteur que l'on appellera
MC2.Figure 10 illustrates such an embodiment. The central zone is constituted by the macrosensor of FIG. 9, labeled MC11, and a group of four sensors, in series on either side of the central zone, is added. The whole forms a new macrosensor that we will call
MC2.
.Il y a donc neuf groupes : sept pour MCo et deux groupes latéraux G 4 et G4. There are therefore nine groups: seven for MCo and two lateral groups G 4 and G4.
Les poids sont les suivants
pO = p1 = p2 = 64
P3 = 32
P4 = 16
On réalise une pondération selon la loi "triangle".The weights are as follows
pO = p1 = p2 = 64
P3 = 32
P4 = 16
We perform a weighting according to the "triangle" law.
La figure 11 illustre la courbe C7 de pondération obtenue. FIG. 11 illustrates the weighting curve C7 obtained.
Le signal acoustique du macrocapteur MC2, tel qu'illustré sur la figure 10, est donc Sa = -9Sh=1,385Sh
6,5
(relation (10)) et l'impédance
Zh
6,5
On constate que l'impédance de MC2 est peu différente de celle que l'on avait calculé par MC1. On peut donc utiliser les mêmes organes de traitement électronique des signaux, en particulier les mêmes amplificateurs, ce qui est avantageux.The acoustic signal of the macro-sensor MC2, as illustrated in FIG. 10, is Sa = -9Sh = 1.385Sh
6.5
(relation (10)) and impedance
zh
6.5
It is found that the impedance of MC2 is not very different from that calculated by MC1. It is therefore possible to use the same electronic signal processing devices, in particular the same amplifiers, which is advantageous.
Pour illustrer de façon plus complète l'invention, une antenne linéaire a été réalisée selon le procédé qui vient d'être décrit. To further illustrate the invention, a linear antenna has been made according to the method just described.
Les hypothèses et contraintes qui ont prévalu étaient les suivantes
(a) Les capteurs sont équidistants le long de l'antenne linéaire.The assumptions and constraints that prevailed were as follows
(a) The sensors are equidistant along the linear antenna.
(b) Les capteurs doivent être utilisables suivant la méthode "bandes d'octaves". (b) The sensors must be usable according to the "octave band" method.
(c) Les bruits à rejeter sont les bruits mécaniques de spectre de fréquences compris entre 10 et 80 Hz et les bruits d'écoulement de spectre de fréquences compris entre 80 et 160 Hz. (c) The noise to be rejected is the mechanical frequency spectrum noise between 10 and 80 Hz and the frequency spectrum flow noise between 80 and 160 Hz.
Les signaux "utiles", c'est-à-dire les signaux acoustiques à détecter s'étendaient de fréquences élevées : 1280 Hz à des fréquences très basses, dans la gamme précisément couvertes par les fréquences des bruits parasites. The "useful" signals, ie the acoustic signals to be detected, ranged from high frequencies: 1280 Hz at very low frequencies, in the range precisely covered by parasitic noise frequencies.
L'antenne comprenait plusieurs tronçons destinés à couvrir les diverses bandes de fréquences : bandes 640 à 1280 Hz, bande 320 à 640 Hz, bande 80 à 160 Hz, bande 40 à 80 Hz et bande 20 à 40 Hz. The antenna included several sections intended to cover the various frequency bands: bands 640 to 1280 Hz, band 320 at 640 Hz, band 80 at 160 Hz, band 40 at 80 Hz and band 20 at 40 Hz.
On ne s'intéressera, dans ce qui suit, qu'aux très basses fréquences, fréquences communes avec celles des signaux parasites de bruit d'origine mécanique ou d'écoulement. II est cependant utile d'indiquer que la contrainte (a) précitée impose que les macrocapteurs soient constitués de capteurs individuels au pas 0,52 m. In the following, we will only be interested in very low frequencies, frequencies common to those of noise signals of mechanical origin or flow. It is however useful to indicate that the constraint (a) mentioned above requires that the macrosensors consist of individual sensors with a pitch of 0.52 m.
En ce qui concerne la bande 80 à 160 Hz, quatre capteurs en parallèle peuvent être mis en oeuvre. La longueur du macrocapteur est inférieure au quart de la longueur d'onde à 160 Hz. For the band 80 to 160 Hz, four sensors in parallel can be implemented. The length of the macrosensor is less than a quarter of the wavelength at 160 Hz.
En ce qui concerne la bande de 40 à 80 Hz une solution a huit capteurs câblés comme illustré sur la figure 12 peut être mise en oeuvre. With regard to the 40 to 80 Hz band, a solution has eight wired sensors as illustrated in FIG. 12 can be implemented.
La partie centrale utilise le macrocapteur précédemment décrit pour la bande 80-160 Hz (quatre capteurs en parallèle) et repéré MCA
Deux groupes latéraux de deux capteurs, HA, Hg, HA et H g, câblés en série, ont été rajoutés. Le pas intercapteur pour tous ces capteurs est 0,52 m.The central part uses the previously described macrosensor for the band 80-160 Hz (four sensors in parallel) and spotted MCA
Two side groups of two sensors, HA, Hg, HA and H g, wired in series, were added. The interconnect pitch for all these sensors is 0.52 m.
Par convention, on a représenté une liaison "+" en trait plein et une liaison "-" en pointillé pour différencier l'ordre de câblage des deux bornes de sorties des capteurs. La figure 12 explicite le câblage exact de I'ensemble des capteurs, générant en sortie un signal Sa. By convention, there is shown a "+" link in solid line and a link "-" in dotted line to differentiate the wiring order of the two output terminals of the sensors. Figure 12 explains the exact wiring of the set of sensors, generating an output signal Sa.
Dans la partie basse de la figure 12, un encart indique les différentes pondérations associées aux capteurs. In the lower part of Figure 12, an insert indicates the different weightings associated with the sensors.
On appellera cet ensemble macrocapteur MCB. This MCB macro-sensor set will be called.
Le gain obtenu dans cette bande par rapport à une solution selon l'art connu (sans pondération) est de l'ordre de 10 dB sur le bruit mécanique. The gain obtained in this band compared to a solution according to the known art (without weighting) is of the order of 10 dB on the mechanical noise.
Les diagrammes des figures 13 et 14 (gain de groupement Gg en fonction de la fréquence permettent d'effectuer la comparaison entre une antenne de l'art connu (diagramme de la figure 13 : capteurs tous en parallèle) et l'antenne selon l'invention (diagramme de la figure 14). The diagrams of FIGS. 13 and 14 (gain of grouping Gg as a function of frequency make it possible to compare a known art antenna (diagram of FIG. 13: sensors all in parallel) and the antenna according to FIG. invention (diagram of Figure 14).
Les courbes C7 (figure 13) et Cg (figure 14) illustrent le mode non dissipatif et les courbes C'7 (figure 13) et C'8 (figure 14) le mode dissipatif. La célérité est C = 160 m/s. The curves C7 (FIG. 13) and Cg (FIG. 14) illustrate the non-dissipative mode and the curves C'7 (FIG. 13) and C'8 (FIG. 14) the dissipative mode. The speed is C = 160 m / s.
Les câblages possibles pour la bande 20-40 Hz présentent de nombreux degrés de liberté dans la mesure où le nombre de capteurs peut être grand. On a représenté sur la figure 15 un exemple de réalisation possible parmi d'autres. The possible wirings for the 20-40 Hz band have many degrees of freedom since the number of sensors can be large. There is shown in Figure 15 an example of possible embodiment among others.
On utilise le macrocapteur MCB précédemment défini (figure 12) pour traiter la bande 40-80 Hz. On y a adjoint deux groupes latéraux de quatre capteurs, respectivement HC à HF et H c à HF. The previously defined MCB macrosensor (FIG. 12) is used to process the 40-80 Hz band. Two lateral groups of four sensors, respectively HC to HF and Hc to HF, are added.
Les capteurs HC et HD ainsi que les capteurs HE et HF sont câblés en série, deux à deux. II en est de même pour la branche symétrique H c à F. The HC and HD sensors as well as the HE and HF sensors are wired in series, two by two. It is the same for the symmetrical branch Hc to F.
Le signal de sortie de l'ensemble est S'a. The output signal of the set is S'a.
La pondération associée à chaque capteur est indiquée, comme précédemment, dans l'encart du bas de la figure 15. The weighting associated with each sensor is indicated, as previously, in the bottom inset of FIG.
Les figures 16 et 17 permettent de comparer le gain apporté par une antenne selon l'invention (figure 7) par rapport à une antenne de l'art connu (figure 16 : seize capteurs en parallèle). Les courbes C9 et
C10 illustrent le mode non dissipatif et les courbes C'g et C'10 le mode dissipatif. La célérité est C = 160 m/s.Figures 16 and 17 compare the gain provided by an antenna according to the invention (Figure 7) compared to an antenna of the prior art (Figure 16: sixteen sensors in parallel). The curves C9 and
C10 illustrate the non-dissipative mode and the curves C'g and C'10 the dissipative mode. The speed is C = 160 m / s.
On voit que la rejection est très importante à 30 Hz : environ 30 dB soit une amélioration de l'ordre de 10 dB. Cette fréquence correspond à l'harmonique connu sous le nom d"'harmonique de
Strouhal", qui correspond à une fréquence due au câble de remorquage.We see that the rejection is very important at 30 Hz: about 30 dB is an improvement of the order of 10 dB. This frequency corresponds to the harmonic known as the 'harmonic of
Strouhal ", which corresponds to a frequency due to the towing cable.
Sur ces exemples, non limitatifs, on voit clairement que le procédé de l'invention permet de réaliser simplement la pondération d'un macrocapteur par câblage série-parallèle. Il présente de plus l'avantage de minimiser les variations de l'impédance du macrocapteur tout en augmentant sa sensibilité acoustique.
On these non-limiting examples, it is clearly seen that the method of the invention makes it possible to simply perform the weighting of a macro-sensor by serial-parallel wiring. It also has the advantage of minimizing the variations of the impedance of the macrosensor while increasing its acoustic sensitivity.
<tb><Tb>
<SEP> Bruit <SEP> | <SEP> Nature <SEP> Gain <SEP> potentiel <SEP> en <SEP> [S/B]
<tb> électrique <SEP> et <SEP> - <SEP> incohérent <SEP> 10 <SEP> log <SEP> N
<tb> thermique <SEP> - <SEP> homogène <SEP> N <SEP> : <SEP> nombre <SEP> de <SEP> capteurs
<tb> de <SEP> mer <SEP> - <SEP> cohérent <SEP> Index <SEP> de <SEP> directivité <SEP> - <SEP> 10 <SEP> log
<tb> <SEP> - <SEP> homogène <SEP> N
<tb> <SEP> - <SEP> isotrope
<tb> rayonné <SEP> du <SEP> - <SEP> cohérent <SEP> directivité <SEP> de <SEP> l'antenne
<tb> porteur <SEP> - <SEP> homogène
<tb> <SEP> - <SEP> directif
<tb> mécanique <SEP> - <SEP> cohérent <SEP> filtrage <SEP> du <SEP> spectre <SEP> spatial
<tb> <SEP> - <SEP> non <SEP> homogène <SEP> temporel <SEP> de <SEP> corrélation
<tb> écoulement <SEP> - <SEP> peu <SEP> cohérent <SEP> .. <SEP>
<tb><SEP> Noise <SEP> | <SEP> Nature <SEP> Gain <SEP> potential <SEP> in <SEP> [S / B]
<tb> electrical <SEP> and <SEP> - <SEP> inconsistent <SEP> 10 <SEP> log <SEP> N
<tb> thermal <SEP> - <SEP> homogeneous <SEP> N <SEP>: <SEP> number <SEP> of <SEP> sensors
<tb><SEP> SEP <SEP> - <SEP> consistent <SEP><SEP><SEP> directivity <SEP> - <SEP> 10 <SEP> log
<tb><SEP> - <SEP> homogeneous <SEP> N
<tb><SEP> - <SEP> isotropic
<tb> radiated <SEP> of the <SEP> - <SEP> consistent <SEP> directivity <SEP> of <SEP> the antenna
<tb> carrier <SEP> - <SEP> homogeneous
<tb><SEP> - <SEP> directive
<tb> mechanical <SEP> - <SEP> consistent <SEP> SEP <SEP> filtering <SEP> spectrum <SEP> spatial
<tb><SEP> - <SEP> no <SEP> homogeneous <SEP> time <SEP> of <SEP> correlation
<tb> flow <SEP> - <SEP> little <SEP> consistent <SEP> .. <SEP>
<Tb>
<SEP> - <SEP> homogène
<tb>
Tableau 1 <SEP> - <SEP> homogeneous
<Tb>
Table 1
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR9204548A FR2690033A1 (en) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Linear aerial for underwater detection - includes groups of sensors with weighting applied to outputs in order to minimise noise effects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR9204548A FR2690033A1 (en) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Linear aerial for underwater detection - includes groups of sensors with weighting applied to outputs in order to minimise noise effects |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2690033A1 true FR2690033A1 (en) | 1993-10-15 |
Family
ID=9428833
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR9204548A Pending FR2690033A1 (en) | 1992-04-14 | 1992-04-14 | Linear aerial for underwater detection - includes groups of sensors with weighting applied to outputs in order to minimise noise effects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2690033A1 (en) |
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