Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique et dispositif pour sa mise en oeuvre

Description

[0001] La mesure à distance de paramètres météorologiques locaux - tels que la structure thermique (couche d'inversion de température par exemple) ou le profil vertical tridimensionnel du vent - par des stations micrométéorologi- ques du type SODAR ou radar acoustique, pose le problème de l'exploitation du signal compte tenu du très faible niveau recueilli.

[0002] On pourra se reporter à cet égard à un article de J. M. Marshall et autres intitulé »Combined Radar-Acoustic Sounding System« et paru dans la revue américaine APPLIED OPTICS, Vol. 11, N° 1, Janvier 1972, pages 108 à 112.

[0003] Les antennes utilisées dans les systèmes de télédétection acoustique sont généralement du type parabolique: elles sont constituées d'un paraboloïde prolongé par une hotte revêtue intérieurement d'un matériau absorbant, le signal rétrodiffusé étant capté dans le plan de sortie d'un cornet acoustique situé dans l'axe du paraboloïde. Si ce type d'antenne a un gain important, il a en contrepartie l'inconvénient de créer un système de franges d'interférence, entre le fond du parabotoïde et le plan de sortie du cornet, à l'échelle de la demilongueur d'onde acoustique. Cela se traduit à l'antenne par une fonction de transfert en fréquence ayant la forme d'une sinusoïde.

[0004] La fréquence d'émission étant choisie en fonction de la portée, le foyer de l'antenne sera situé au voisinage d'un ventre de pression, pour une température donnée de référence To (15°C par exemple), si la distance focale du paraboloïde est un certain multiple entier de la demi-longueur d'onde acoustique. Dans ce cas, on a en effet un ventre de pression au foyer où sera placé, de préférence, le plan de sortie du cornet.

[0005] Cette condition dépend évidemment, à fréquence d'émission donnée, de la longueur d'onde et donc de la température T de l'air dans le fond de l'antenne.

[0006] Autrement dit, pour une position donnée du capteur dans l'axe du paraboloïde, celui-ci enregistrera, pour un même signal à l'entrée de l'antenne, des amplitudes différentes en fonction de la température T du moment, la structure de franges d'interférence établies se dilatant ou se contractant suivant que la température augmente ou diminue.

[0007] La présente invention concerne un procédé automatique d'adaptation de l'antenne ainsi que le dispositif de mise en oeuvre lui permettant de suivre l'évolution de cette structure de franges d'interférence en fonction de la température T de telle sorte que l'enregistrement du signal se fasse toujours au voisinage du même ventre de pression. Selon un mode d'exécution préféré de ce procédé, la fréquence d'émission restant fixe, l'enregistrement du signal se fait dans le plan de sortie d'un cornet qui est mobile dans l'axe du paraboloïde et dont le déplacement s'effectue suivant une loi en T-'ⁱ² correspondant au déplacement théorique de la structure d'ondes stationnaires.

[0008] La variation relative ΛX de l'abscisse Xo du ventre de pression aura alors pour expression en fonction de la variation relative de température Λ T:

[0009] Le déplacement du plan de sortie du cornet suivant cette loi sera avantageusement commandé par le mouvement d'une tige de vérin dont la capacité en huile servira de sonde de température.

[0010] Selon une variante, le plan de sortie du cornet restant fixe, au foyer par exemple, on modifie la fréquence d'émission selon une loi en T-'/2 correspondant au déplacement théorique de la structure de franges d'interférence, de telle sorte que le ventre de pression reste immobile quelles que soient les variations de température. La variation relative Λf de la fréquence fo égale à la variation relative Δλ de la longueur d'onde λ₀, aura alors pour expression en fonction de la variation relative de température:

[0011] Les variations de températures enregistrées par une sonde située entre le fond du paraboloïde et le plan de sortie du cornet sont transformées, dans un circuit électronique adéquat, en variations de tension, elles-mêmes converties en variations de fréquence par un convertisseur classique tension/fréquence.

[0012] Dans ce cas, la bande passante du filtre centrée sur la fréquence d'émission est dans une première version fixe, la bande passante relative Λf/fo étant telle qu'elle permette de filtrer le signal sans atténuation dans une gamme de température fixée telle que:

[0013] Dans une seconde version, la bande passante du filtre reste centrée sur la fréquence d'émission et suit son évolution par un système suiveur: dans ce cas, le filtre est du type numérique.

[0014] La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, illustrera, à titre d'exemple non limitatif, deux modes de réalisation de l'invention.

- la figure 1 est une coupe axiale schématique d'une antenne classique.

- la figure 2 est une présentation schématique du phénomène de franges d'interférence établies entre le fond du paraboloïde et le plan de sortie du cornet.

- la figure 3 est une représentation synoptique du mode d'adaptation de l'antenne par un dispositif électronique selon l'invention.

- la figure 4 est une représentation schématique du mode d'adaptation de l'antenne par un moyen mécanique selon une variante de l'invention.

[0015] Sur la figure 1, on a représenté d'une manière schématique une antenne de radar acoustique 1 constituée d'une surface parabloïdique 2 prolongée par une hotte 3 recouverte intérieurement d'un matériau absorbant acoustique 4. Une chambre d'émission 6, telle qu'une chambre de compression, prolongée par un cornet 7 est maintenue dans l'axe 5 de cette antenne 1 dont elle est rendue solidaire par une liaison rigide 8 telle qu'un trépied. On a représenté un pinceau théorique d'ondes sonores rétrodiffusées 9 déterminant la surface efficace 10 de l'antenne 1; les ondes sonores engendrées par la chambre d'émission 6 suivent théoriquement le chemin inverse. La portion de surface 11 située dans l'axe 5 du paraboloïde est partiellement masquée par la présence du système d'émission et de réception.

[0016] Sur la figure 2 est représenté schématiquement le déplacement de la structure de franges d'interférence 12 en fonction de la température T: le ventre de pression 13 situé au foyer, à l'abscisse Xo, se déplace de LlX pour une température T=To+ΔT, le plan de sortie 15 du cornet 7 se déplaçant de la même valeur théorique:

[0017] Sur la figure 3 est représenté schématiquement le dispositif électronique d'adaptation de l'antenne 1; le plan de sortie 15 du cornet 7 étant situé au foyer du paraboloïde, à l'abscisse Xo, la fréquence d'émission f est modifiée pour compenser l'évolution théorique de la structure de franges d'interférence en fonction de la température. Le rétablissement du ventre de pression 13 à l'abscisse Xo entraîne une variation de fréquence Af autour de la fréquence fo telle que:

[0018] Les différentes étapes de la transformation de l'indication de la température T en ° K donnée par la sonde de température 14 sont symbolisées par des blocs 27. La variation de température T est transformée dans un circuit électronique classique 27A en variation de tension V qui à son tour est transformée en variation de fréquence f par un convertisseur classique tension/fréquence 27B. Cette variation de fréquence est traitée dans un micro-ordinateur 27C qui réagit au niveau de l'émission E en modifiant la fréquence et au niveau de la réception R en modifiant les filtres, de telle sorte qu'ils soient toujours centrés sur la fréquence d'émission.

[0019] Sur la figure 4 est représenté le système mécanique d'adaptation de l'antenne 1 permettant de déplacer le plan de sortie 15 du cornet suivant la loi théorique d'évolution de - - structure de franges d'interférence en fonction de la température. Ce système mécanique comporte un vérin hydraulique 16 disposé dans l'axe 5 du paraboloide 2 et supporté par une platine fixe 17. L'extrémité 18 de la tige 19 de ce vérin 16 est solidaire d'un équipage 20 mobile dans l'axe 5 du paraboloïde et comprenant la chambre d'émission 6 prolongée par le cornet 7, l'ensemble étant supporté par un châssis constitué de deux plaques parallèles 21 et 22 coulissant le long de colonnes ou guides verticaux 23 supportés par le platine fixe 17 liée rigidement à la structure du paraboloïde 2 par le système de trépied 8.

[0020] Les colonnes 23 sont solidarisée à leur partie inférieure par une plaque 24 percée d'une ouverture circulaire 25 laissant le libre passage à l'équipage mobile 20. La capacité du vérin hydraulique 16 communique avec un serpentin 26 en cuivre ou tout autre matière bonne conductrice de la chaleur, qui constitue alors la sonde de température représentée schématiquement en 14 sur la figure 3. La capacité totale de 16 et 26 est telle que, pour une variation ΛT de la température au niveau du cornet 7, la tige 19 du vérin 16 se déplace de la longueur voulue:

[0021] Le dispositif mécanique de mise en oeuvre du procédé n'est pas limité au mode de réalisation de la figure 4 et il pourrait en particulier être réalisé par un système de bras articulés prenant par exemple appui sur le trépied 8, à la manière d'un mécanisme de parapluie où les baleines seraient fixes.

Revendications

1. Procédé d'adaptation d'une antenne de radar acoustique propre à améliorer la qualité de la réception du signal acoustique réfléchi par la cible et capté par un cornet (7) dont le plan de sortie (15) est situé à l'optimum de réception, à proximité du foyer d'un paraboloide (2) ayant une distance focale qui est un multiple entier de la demi-longueur d'onde émise, lequel multiple est une caractéristique de la configuration du paraboloïde choisi, compte tenu de ce que les conditions de réception sont perturbées par l'apparition d'un système de franges d'interférence qui s'établit naturellement entre le fond du paraboloïde (2) et le cornet (7) et qui évolue avec la température (T) régnant dans le fond de l'antenne, caractérisé en ce qu'on corrige automatiquement cette évolution par un réglage en fonction de cette température (T) faisant coïncider la position du plan de sortie (15) du cornet (7) avec le même ventre de pression (13) repéré à partir du fond du paraboloïde (2) par ledit multiple de la demi-longueur d'onde.

2. Dispositif d'adaptation d'une antenne de radar acoustique par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est mesurée par une sonde (14) située au voisinage du cornet (7).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le plan de sortie (15) du cornet (7) étant fixé au foyer du paraboloïde (2) ou à son voisinage, le réglage est réalisé par un dispositif électronique (27) modifiant la fréquence d'émission.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les variations de température (T) détectées par la sonde (14) sont transformées dans un circuit électronique (27A) en variations de tension (V), elles-mêmes converties en variation de fréquence (f) par un convertisseur classique: tension/fréquence (27B), la variation de fréquence Λf autour de la fréquence d'émission de référence fo devant satisfaire à la relation suivante:

5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les filtres utilisés pour l'analyse du signal restent centrés sur la fréquence d'emission par un système suiveur.

6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bandes passantes des filtres utilisés pour l'analyse du signal restent fixes et sont telles que la bande passante relative: Af/fo permette de restituer le signal sans atténuation dans une gamme de température fixée ΛT telle que

7. Dispositif d'adaptation d'une antenne de radar acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence d'émission restant fixe, le réglage est réalisé par un dispositif mécanique commandé par la sonde de température (26) et modifiant la position du plan de sortie (15) du cornet (7) dans l'axe (5) du paraboloïde (2).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les variations de température enregistrées par la sonde (26) sont transformées par le dispositif mécanique en un déplacement du plan de sortie (15) du cornet (7) dans l'axe (5) du paraboloïde (2), la variation d'abscisse ΛX par rapport à l'abscisse Xo du foyer devant satisfaire à la relation:

9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le dispositif mécanique comporte un vérin hydraulique (16) commandé par la sonde de température (26).

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le vérin (16) est disposé dans l'axe (5) du paraboloïde (2) et supporté par une platine fixe (17), l'extrémité (18) de la tige (19) de ce vérin (16) étant solidaire d'un équipage (20) mobile le long de l'axe (5) du paraboloïde et comprenant la chambre d'émission (6) prolongée par le cornet (7), l'ensemble étant supporté par un bâti fixe (8) rigidement lié à la structure du paraboloïde.

11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la capacité du vérin (16) communique avec un serpentin (26) qui l'entoure et qui constitue la sonde de température, la capacité totale du vérin et du serpentin étant telle que, pour une variation ΛT de la température, la tige (19) du vérin se déplace de la IongueurdXvoulue.

Ansprüche

1. Verfahren zur Anpassung einer akustischen Radarantenne, die geeignet ist, die Empfangsqualität eines von einem Ziel reflektierten und von einem Trichter (7) aufgefangenen akustischen Signals zu verbessern, dessen Austrittsebene (15) im Empfangsoptimum in der Nähe des Brennpunktes eines Paraboloides (2) liegt, das einen Brennpunktabstand aufweist, der ein ganzes Vielfaches der halben ausgesandten Wellenlänge ist, dessen Vielfache ein Charakteristikum der Ausbildung des gewählten Paraboloides ist, wobei berücksichtigt ist, daß die Empfangsbedingungen durch das Auftreten eines Systems von Interferenzstreifen gestört ist, die sich gewöhnlich zwischen dem Boden des Paraboloides (2) und dem Trichter (7) ausbilden, und die sich mit der Temperatur (T) ändern, die auf dem Grund der Antenne herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Änderung automatisch durch eine Regelung in Abhängigkeit dieser Temperatur (T) korrigiert wird, die die Lage der Austrittsebene (15) des Trichters (7) mit dem gleichen Druckbauch (13) zusammenfallen läßt, der ausgehend vom Boden des Paraboloides (2) durch das genannte Vielfache der halben Wellenlänge bestimmt ist.

2. Vorrichtung zur Anpassung einer akustischen Radarantenne für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur durch eine Sonde (14) gemessen wird, die in der Nähe des Trichters (7) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsebene (15) des Trichters (7) im Brennpunkt des Paraboloides (2) oder in dessen Nähe fixiert ist und daß die Regelung durch eine elektronische Vorrichtung (27) bewirkt wird, die die Sendefrequenz modifiziert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderungen (T), die von der Sonde (14) erfaßt werden, in einer elektronischen Schaltung (27A) in Spannungsschwankungen (V) umgeformt werden, die wiederum in Abhängigkeit der Frequenz (f) durch einen bekannten Spannungs/Frequenzkonverter (27B) umgeformt werden und daß die Frequenzänderung Λf bezüglich der Referenz-Sendefrequenz fo folgende Bedingung erfüllt:

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Analyse des Signals verwendeten Filter mittels eines Folgesystems auf die Sendefrequenz zentriert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Filter passierende Band für die Analyse des Signals unverändert bleibt und solcher Art ist, daß das durchtretende Band bezüglich df/fo es gestattet, das Signal ohne Minderung in einem festen Temperaturbereich AT zu entzerren wie

7. Vorrichtung für die Anpassung einer akustischen Radarantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz unverändert bleibt, daß die Regelung durch eine mechanische Vorrichtung bewirkt wird, die von einer Temperatursonde (26) gesteuert ist und die Lage der Austrittsebene (15) des Trichters (7) in der Achse (5) des Paraboloides (2) verändert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sonde (26) registrierten Temperaturänderungen durch eine mechanische Vorrichtung in eine Verschiebung der Austrittsebene (15) des Trichters (7) in der Achse (5) des Paraboloides (2) umgeformt werden, wobei die Änderung der Abszisse ΔX im Verhältnis zur Abszisse XO des Brennpunktes folgender Beziehung genügt:

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Vorrichtung einen hydraulischen Zylinder (16) aufweist, der durch die Temperatursonde (26) gesteuert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Zylinder (16) in der Achse (5) des Paraboloides (2) angeordnet ist und von einer fest angeordneten Platte (17) getragen ist, daß das Ende (18) der Kolbenstange (19) des Hydraulikzylinders (16) fest mit einer Vorrichtung (20) verbunden, die längs der Achse (5) des Paraboloides (2) verschiebbar ist und den Senderaum (6) enthält, der durch den Trichter (7) verlängert ist, und daß die gesamte Einheit durch ein starres Gestell (8) getragen ist, das starr mit dem Aufbau des Paraboloides verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 1" dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des hydraulischen Zylinders (16) mit der diesen umgebenden und die Temperatursonde bildenden Schlange (26) kommuniziert, daß das gesamte Volumen des hydraulischen Zylinders und der Schlange so gewählt ist, daß bei einer Temperaturänderung ΛT die Kolbenstange (19) des hydraulischen Zylinders (16) sich um die gewünschte Länge AX verschiebt.

Claims

1. Method of matching an acoustic radar antenna adapted to improve the quality of reception of the acoustic signal reflected by the targed and picked up by a horn (7), the exit plane (15) of which is located at optimum reception, adjacent the focal point of a paraboloid (2) having a focal length which is a whole multiple of half the transmitted wavelength, this multiple being a characteristic of the configuration of the selected paraboloid, taking into account that the reception conditions are upset by the appearance of a pattern of interference fringes which is established naturally between the bottom of the paraboloid (2) and the horn (7) and which evolves with the temperature (T) prevailing at the bottom of the antenna, characterised in automatically correcting this evolution by an adjustment as a function of this temperature (T) causing the position of the exit plane (15) of the horn (7) to concide with the same pressure antinode (13) located starting from the bottom of the paraboloid (2) by the said multiple of the half-wavelength.

2. Device for matching an acoustic radar antenna by carrying out the method according to claim 1, characterised in that the temperature is measured by a sensor (14) located adjacent the horn (7).

3. Device according to claim 2, characterised in that, the exit plane (15) of the horn (7) being fixed at the focal point of the paraboloid (2) or in ints vicinity, the adjustment is perfomed by means of an electronic device (27) modifying the transmission frequency.

4. Device according to claim 3, characterised in that the variations of temperature (T) sensed by the sensor (14) are converted in an electronic circuit (27A) into variations of voltage (V), which are themselves converted into variations of frequency (f) by a conventional voltage/frequen- cy converter (27B), the frequency variation Δf about the reference transmission frequency fo being required to meet the following relation:

5. Device according to claim 2, 3 or 4, characterised in that the filters employed for the analysis of the signal remain centred on the transmission frequency by means of a follower system.

6. Device according to claim 4, characterised in that the passbands of the filters employed for the analysis of the signal remain fixed and are such that the relative passband: df/fo allows the signal to be restored without attenuation over a fixed temperature range ΔT such that

7. Acustic radar antenna matching device according to claim 2, characterised in that the transmission frequency remaining fixed, the adjustment is performed by means of a mechanical device controlled by the temperature sensor (26) and modifying the position of the exit plane (15) of the horn (7) along the axis (5) of the paraboloid (2).

8. Device according to claim 7, characterised in that the temperature variations registered by the sensor (26) are converted by means of the mechanical device into a displacement of the exit plane (15) of the horn (7) along the axis (5) of the paraboloid (2), the abscissa variation ΔX with respect to the abscissa Xo of the focal point being required to meet the relation:

9. Device according to claim 7 or 8, characterised in that the mechanical device comprises a hydraulic jack (16) controlled by the temperature sensor (26).

10. Device according to claim 9, characterised in that the jack (16) is disposed along the axis (5) of the paraboloid (2) and supported by a fixed platelet (17), the end (18) of the rod (19) of this jack (16) being integral with an assembly (20) movable along the paraboloid axis (5) and comprising the transmission chamber (6) extended by the horn (7), the whole being supported by a fixed frame (8) rigidly connected to the paraboloid structure.

11. Device according to claim 9 or 10, characterised in that the volume of the jack (16) communicates with a coil (26) which surrounds it and which constitutes the temperature sensor, the total volume of the jack and coil being such that, for a temperature variation AT, the jack rod (19) moves through the required length ΛX.

Dessins