4.1 Sondeur multifaisceau Principe - théorie. Nov 2010

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1 4.1 Sondeur multifaisceau Principe - théorie Nov 2010

2 Sondeurs multifaisceaux Mesure de la profondeur dans n directions (n faisceaux acoustiques). Ces faisceaux forment une fauchée perpendiculaire à l'axe du navire. On explore ainsi le fond sur une large bande :levé surfacique - insonification totale Avantages du sondeur multifaisceau : - exploration ( insonification ) d un large couloir ( fauchée ), le long de la route du navire, - grande résolution (d autant plus grande que ses faisceaux sont étroits).

3 Sondeur multifaisceau

4 Sondeurs multifaisceaux - mesures bathymétrie : bathymétrie : mesure de la hauteur d eau (interprétation du temps de parcours du rayon sonore) imagerie : mesure de la réflectivité (exploitation de l amplitude du signal reçu)

5 Principe des faisceaux croisés émission d une impulsion sonore au travers d un faisceau d émission (fin longitudinalement # 1 - large transversalement # 150 ) réception du signal réfléchi par le fond selon N faisceaux de réception (fin transversalement # 1 ) émission réception Pour chaque faisceau de réception, la zone du fond explorée est l intersection entre les faisceau d émission et de réception

6 Principe des faisceaux croisés Secteur d émission Faisceau de réception θ Impulsion sonore P R Dh rétrodiffusion point

7 Fréquence (1) Quand la fréquence, le coefficient d absorption, la portée Sondeurs «grands fonds» Sondeurs «très petits fonds» Pénétrateur de sédiments Sondeur bathymétrique fréquence 1 khz 10 khz 100 khz 1000 khz audibilité Ultra sons

8 Fréquence (2) classes d équipements sondeurs Plage de Fréquence Types de levé profondeur Grands fonds 100 à m khz Talus, dorsale et plaines abyssales Moyens fonds 30 à 3000 m khz Plateau, talus Petits fonds 5 à 500 m khz Plateau continental Très petits fonds 0 à 100 m 200 à 400 khz Zones littorales

9 Antennes acoustiques Antenne acoustique : groupement de transducteurs élémentaires : - augmenter la puissance émise, - contrôler la forme du diagramme de directivité. Exemple : Antenne d émission EM710 70/100 khz - Céramiques composites

10 Géométrie des antennes (1) -antennes planes horizontales solution standard - antenne d émission : longitudinale - antenne de réception : transversale

11 Géométrie des antennes (2) -antennes circulaires sondeurs petits fonds (Simrad EM1000, Reson Seabat 7111) Exemple : Reson Seabat 7111 (100 khz) Réception Emission

12 Géométrie des antennes (3) - antennes planes inclinées -en général installées de part et d autre de la quille dans une configuration en V (système dit «Dual»). -Amélioration de la largeur de fauchée du sondeur, en limitant l incidence des faisceaux extrêmes par rapport à l antenne Ex : L Atalante - Simrad EM12D (13 khz) Emission Réception

13 Fréquence / directivité / Longueur d antenne (1) f la taille des antennes 24 khz Tx (12 modules) 8 m 12 / 24 khz Rx (12 modules) Seabat khz L =0,2 x 0,4 m 1 x m 24 khz Tx (12 modules) Seabat / 24 khz L =8 x 8 m 12 khz : 1 x 1-24 khz : 0.5 x 0.5

14 Fréquence / directivité / Longueur d antenne (2) la longueur d antenne la directivité des faisceaux L L θ θ θ # 60 λ / L F = 12 khz L = 4 m θ = 2 F = 12 khz L = 8 m θ = 1

15 Formation des voies (1) 1 transducteur s(t) Une antenne = N transducteurs S0 (t) = s 1 (t) + s 2 [t] + s 3 [t] + s N [t]

16 Formation des voies (2) Le son issu d une direction θ atteindra un transducteur i avec un retard : = dsin θ / c par rapport au transducteur voisin (i+1) i i+1 d θ dsin θ

17 Formation des voies (3) Si on somme les signaux des transducteurs élémentaires en appliquant pour chaque transducteur un retard dsin θ / c p/r à son voisin, cela reviendra à pointer l antenne vers la direction θ Sθ (t) = s 1 (t) + s 2 [t - d sin θ / c] + s 3 [t - 2d sin θ / c] + θ

18 Antenne et formation des voies Effet du dépointage sur la surface d émission Pas de dépointage : la surface d émission est un disque - son intersection avec un fond plat est une droite dépointage : la surface d émission est un cône - son intersection avec un fond plat est une hyperbole

19 Antenne et formation des voies Sans pondération pondération de Tchébichev (-30 db) les lobes secondaires sont ramenés à -30 db le lobe principal est élargi Formation de voies - 42 hydrophones (d= λ/2)

20 Forme des signaux émis Les sondeurs bathymétriques émettent des impulsions monochromatiques ( ping ) : sinusoïdes de fréquence fo (fréquence porteuse) émises pendant une durée τ (durée d impulsion). Domaine temporel Signal Domaine fréquentiel Spectre A B # 0.88 / τ to τ La longueur d onde du signal est donnée par λ = c / fo ex : f = 12 khz -> λ = 12.5 cm -fo fo fo La largeur de bande occupée par un ping de durée τ vaut : B # 0.88 / τ ex : f = 1 ms -> B = 880 Hz

21 Emission - Durée d impulsion - Niveau d émission - Durée d impulsion (τ)( Plus la durée d impulsion est longue: - plus la portée est grande - plus la résolution est faible τ : 0,05 ms (très petits fonds) 20 ms (grands fonds) - Niveau d émission (NE) Plus le niveau d émission est élevé, meilleure sera la portée. Limitations : - technologie de l émetteur / du transducteur - risque de cavitation NE : Intensité acoustique à 1 m du transducteur (db réf. 1 µpa) En pratique, NE est de l ordre de 220 à 240 db

22 Ouverture angulaire (2θ M ) L ouverture angulaire (largeur du faisceau d émission) définit la largeur de fauchée Elle varie de 120 à 150, suivant les systèmes. 2θ M Fauchée x P P 2θ M x P 7.4 x P F = 2 P tan θ M ex : P= 10 m - 2θ M = > F = 35 m P= 1000 m - 2θ M = > F = 7,4 km

23 Emission - Ouverture angulaire (2θ M ) Pourquoi pas? 7150 Tx 12 khz Diagrammes 12 khz Ouverture (-3dB) # 134

24 Emission période (Te) - La période d émission est la durée qui sépare deux émissions consécutives du sondeur. Elle est au minimum supérieure à la durée du trajet aller/retour des faisceaux extrêmes : Te > 2 R M /c (R M : distance oblique maxi c : célérité) Soit : Te > 2 P / c cos θ M (θ M : demi-ouverture du faisceau d émission - P : profondeur c : célérité ) Dans le cas d un faisceau d ouverture 150 : - Te > 20 s pour P = 4000 m - Te > 0,05 s pour P = 10 m 2θ M R M

25 Emission - Géométrie du faisceau Le faisceau d émission est : -très large latéralement (typiquement 2θ M =150 ), -très fin longitudinalement (typiquement θ L =1 à 2 ) L émission d un faisceau très fin nécessite une antenne longitudinale de grande dimension (d autant + grande que la fréquence est basse) : θ L # 60 λ / L ex : f = 12 khz (λ= 12,5 cm) - θ L = 1 --> L = 8 m f = 400 khz (λ= 3.75 mm) - θ L = 1 --> L = 20 cm

26 Emision - Compensation des mouvements du navire Grâce à la formation des voies, on peut «dépointer» le faisceau d émission de façon à compenser les mouvements de tangage ou de lacet du navire --> couverture du fond plus régulière Compensation en tangage Compensation en lacet (émission par secteurs)

27 Émission technologies Reson multi-ping Kongsberg transmission par secteurs

28 Réception Antenne de réception Signaux des n Hydrophones Amplitude/phase = f(temps) Amplification filtrage Amplification filtrage Amplification filtrage Amplification filtrage n canaux de réception Numérisation Numérisation Numérisation Numérisation n signaux numériques (échantillonnage = / dynamique : 12 ou 16 bits)

29 Conversion analogique / numérique (1) -Conditionnement du signal (1) but : adapter la dynamique du signal à celle du convertisseur A/N : Amplifier le signal reçu de façon à éviter : - que le signal soit saturé - que le signal de retour du fond soit noyé dans le bruit Le facteur limitant est la dynamique des convertisseurs analogiques/numériques. Exemple : convertisseur 12 bits 2 (12-1) = 2048 niveaux possibles dynamique = 20*log(2048) = 66 db On utilise une amplification qui évolue avec le temps (loi de TVG / Time variable gain)

30 Réception - Conditionnement du signal loi de TVG (Time variable gain) Dans la colonne d eau : TVG = 40 log R + 2 αr Signal brut TVG t Après le 1er retour du fond : TVG = TVG(θ) + 10log A(θ) A (θ) = surface de la zone insonifiée TVG (θ) BS O Loi de Lambert Signal amplifié t BS N Spéculaire θ t

31 Conversion analogique / numérique - Numérisation du signal (Convertisseur analogique / numérique) - dynamique : 8 / 12 / 16 bits - Cadence d échantillonnage : δ

32 Signaux numériques N d hydrophone 0 stave number time (ms) temps

33 Formation des faisceaux Signaux des n Hydrophones s i=1,n (t) Formation des faisceaux Signaux des N faisceaux : S i=1,n (t)

34 Formation des faisceaux

35 Géométrie des faisceaux de réception Les faisceaux de réception sont : -relativement large longitudinalement (typiquement 20 ), -très fins transversalement (typiquement θ T =1 à 2 ) La formation d un faisceau très fin nécessite une antenne transversale de grande dimension (d autant + grande que la fréquence est basse) : θ L # 60 λ / L ex : f = 12 khz - λ= 12,5 cm - θ L = 1 --> L = 8 m

36 Nombre de faisceaux De 100 à 1000, suivant les équipements ex : Seabeam (Jean Charcot ) : 16 EM1000 (Thalia ) : 60 EM120 (Beautemps Beaupré ) : 191 Seabat 7150 (Pourquoi pas? 2007) : 880

37 Répartition des faisceaux dθ = cte équiangulaire équidistante E = cte

38 Compensation du roulis à la réception Grâce à la formation des voies, on peut «dépointer» le faisceau de réception de façon à compenser les mouvements de roulis du navire --> couverture du fond plus régulière Sans compensation Avec compensation

39 Mesures de bathymétrie détection du fond Signal du faisceau d incidence θ : Sθ (t) Détection du fond Temps de parcours aller-retour (R) Antenne de réception θ R

40 Détection bathymétrique Détection par interférométrie Détection par amplitude Reson et Konsberg utilisent deux algorithmes distincts : - détection par amplitude : exploitation de l amplitude du signal - détection par interférométrie (phase) : exploitation de la différence de phase entre deux demi-faisceaux formés par la moitié des hydrophones

41 Méthode de détection bathymétrique (1) Détection par amplitude (faisceaux verticaux) - instant de retour : centre de gravité du pic d amplitude du signal - méthode adaptée au cas des faisceaux verticaux (signal est fort et court) (1) (2) (1) (2) t 2 t t 1 t 1 t 2

42 Méthode de détection bathymétrique (2) Détection par interférométrie - Pour chaque incidence, formation de 2 faisceaux (deux sous-antennes formées par une partie des transducteurs de réception) - retard entre les deux signaux = déphasage : dϕ = 2πDsinθ / λ. - Instant de détection : passage à zéro de : Φ = dϕ(mesurée) - dϕ(θ). - résolution plus fine que la largeur du faisceau s 1, s 2 t φ t

43 Exemples d artefacts induits par une mauvaise détection bathymétrique Double écho A A B C B B C (double) Le double écho (lobes secondaires) perturbe l écho simple si : AC = 2AB --> θ = 60

44 Limitations de la détection bathymétrique Détection des faisceaux proches de la verticale A (spéculaire) B (rétrodiffusion) A B θ P

45 Seabat 7150 Pourquoi pas? Meriadzek 2200 m 11/04/ maille = 20 m 12 khz 10 km (4.6 P)

46 Mesures de bathymétrie Range (R), angle (θ) Correction d attitude Calcul de la bathymétrie Correction de réfraction profondeur (P), distance transversale (D) Antenne de réception θ R P D

47 Corrections d attitude pilonnement tangage x y roulis cap z

48 Calcul de la profondeur / position des sondes (1) Référentiel navire : y tangage lacet roulis x z Référentiel surface : Z Y z x X

49 Calcul de la profondeur / position des sondes (2) Passage du référentiel navire au référentiel surface : U RS = Mx(r) My(t) Mz(c) U RN Mx( r) = cos r sin r 0 sin r cos r My( t) = cost 0 sin t 0 1 sin r sin t 0 cost cosc sin c Mz( c) = sin c cosc

50 Exemple d artefacts induits par une mauvaise correction de roulis - erreur statique: Erreur d alignement en roulis de la centrale d attitude et de l antenne sonar Biais de roulis peut être corrigé en post-traitement

51 ME70 Thalassa 18/03/10 18:43 - P = 100 m Artefact de roulis du à une erreur d alignement en cap de la centrale d attitude et de l antenne sonar 10 pings consécutifs

52 Correction de réfraction Les variations de célérité provoquent une courbure des rayons sonores. Il est nécessaire, pour établir le trajet de l onde sonore, pour une incidence et une durée de trajet donnée, de connaître la célérité du son dans l eau (profil de célérité). Profil de célérité Trajectoire d un rayon c θ 0 c P P

53 Correction de réfraction θ i-1 ci-1 c i θ i Loi de Descartes : sinθ / c = Cte

54 Correction de réfraction Hypothèse : couches à gradient constant gi = (c i -c i-1 ) /( P i - P i-1 ) c i-1 c i g 0 P i-1 g i P i A l intérieur d une couche, le rayon sonore suit une trajectoire de rayon : Ri = c 0 / gi sin θ 0

55 Correction de réfraction dx X = R i (cosθi cosθi 1) θ i-1 t = 1 2 g i 1+ cosθ i ln 1 cosθ i 1+ cosθ i ln 1 cosθ 1 i 1 P i-1 c i-1 P = R i (sin θ i sin θ i 1) g i P i θ i c i P Calcul de la réfraction : Entrée : θ 0 (incidence du faisceau) R (distance oblique) Sortie : P (Profondeur) Dh (distance latérale)

56 Artefact induit par une mauvaise correction de célérité «circularisation du fond»

57 Géoréférencement profondeur (P), distance transversale (D) Navigation Calcul de la bathymétrie Correction de marée Latitude, Longitude profondeur P/r niveau absolu

58 Imagerie SMF principe (1) -exploitation de l amplitude du signal reçu : mesure de la capacité réfléchissante du fond -Idéalement, détermination de la réflectivité angulaire - application : - géologie : caractérisation des fonds - hydrographie : détection d obstructions (épave )

59 Réflectivité angulaire du fond BS (db/m 2 ) sonar BS = f(fréquence, incidence, type de fond) Incidence normale Incidence oblique Incidence rasante Réflexion Spéculaire Rétrodiffusion de volume Rétrodiffusion par le microrelief BS Décroissance rapide Niveau stable Décroissance en Loi de Lambert Loi de Lambert : BS = Bso + 10 log (cos 2 θ) θ

60 Imagerie multifaisceau - combinaison de l amplitude mesurée à l intérieur de chaque faisceau Amplitude des faisceaux t Amplitude combinée t

61 Imagerie multifaisceau - positionnement des échantillons δ (cadence d échantillonnage) cδ / 2 sinθ D hor Distance Across (obtenue par la bathy)

62 Imagerie - calcul de la réflectivité NR = NE(θ) - 2PT(t) + BS(θ) + 10 log A(θ) - mesure : NR (amplitude du signal) - calcul de la réflectivité BS (θ) - aplatissement de BS image homogène (indépendante de θ)