3. Sondeur monofaisceau. Nov 2010

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1 3. Sondeur monofaisceau Nov 2010

2 Sondeur monofaisceau émission d une impulsion sonore au travers d un faisceau (2θ 3 # 10 / 20 ) dirigée selon la verticale du navire mesure du temps nécessaire au signal à parcourir le trajet navire/fond/navire calcul de la profondeur : P= c t / 2 t = 0,01 s P # 7,5 m t = 0,1 s P # 75 m t = 1 s P # 750 m t = 10 s P # 7500 m P

3 Sondeur monofaisceau

4 Sondeur bathymétrique 12 khz à 500 khz

5 Sondeur de navigation (passerelle) 50 khz à 200 khz

6 Pénétrateur de sédiments Sondeur BF (# 3,5 khz) : cartographie des premières couches du sous sol sous marin (pénétration jusqu à quelques dizaines de mètres)

7 Sondeur monofaisceau - architecture visualisation Célérité horloge Pilonnement Immersion transducteur calcul bathy Détection bathy Emetteur Ampli Numérisation transducteur

8 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

9 Sondeur monofaisceau - fréquence Quand la fréquence, le coefficient d absorption, la portée Sondeurs «grands fonds» Sondeurs «petits fonds» Pénétrateur de sédiments Sondeur bathymétrique fréquence 1 khz 10 khz 100 khz 1000 khz audibilité Ultra sons portée m 1000 m 100 m

10 Sondeur monofaisceau fréquences couramment utilisées 12 khz : océan 33 ou 38 khz: grands fonds 200 khz : plateau continental 400 khz : très petits fonds

11 Durée d impulsion (τ)( largeur de bande Plus la durée d impulsion est longue: - plus la portée est grande - plus la résolution est faible τ varie typiquement de 0,05 ms (très petits fonds) à 1 ms (grands fonds) La largeur de bande occupée par un ping de durée τ vaut : B # 0.88 / τ Il n est physiquement pas possible d utiliser une bande plus large que la bande passante du transducteur. Par conséquent, la durée d impulsion ne sera pas inférieure à : τ min = 0.9 / df 0 Exemple : - sondeur Kongsberg 38 khz - f0 = 38 khz - df 0 = 7 khz τ min = 0.88/df 0 = 0.12 ms

12 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) NE = 10 log Pel + 10 logβ GD E En pratique, NE est de l ordre de 220 à 240 db Exemple : - sondeur Kongsberg 38 khz - β = Pel max = 1500 W - GD E = 26 db NE max = 227 db réf. 1 1 m

13 Période d émission (Te) - La période d émission est la durée qui sépare deux émissions consécutives du sondeur. Te Emission Réception Te > 2 P / c P = 4000 m P = 2 m Te > 5,3 s Te > 3 ms -mode «émission entrelacées» (sondeurs grands fonds) amélioration de l échantillonnage

14 Ouverture angulaire (2θ 3 ) L ouverture angulaire (largeur du faisceau d émission/réception ) définit la largeur de l empreinte du faisceau sur le fond. Elle varie de 5 à 30, suivant les systèmes. 2θ 3 2 P tan θ 3

15 Ouverture angulaire (2θ 3 ) Exemple : transducteur Simrad 18kHz - 2θ 3 = 11

16 Amplification Filtrage passe bande conditionnement du signal Traitement des données en temps réel Signaux analogiques Numérisation Données numériques Détection bathymétrique Calcul de la profondeur Visualisation des données

17 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)

18 Conversion analogique / numérique (2) - Loi de TVG (time variable gain) - Amplification du signal avant numérisation - En général, TVG = 40 log R + 2 αr Signal brut TVG t Signal amplifié t

19 Conversion analogique / numérique (3) - Numérisation du signal (Convertisseur analogique / numérique) - dynamique : 8 / 12 / 16 bits, suivant les technos utilisées - Cadence d échantillonnage : δ

20 Détection bathymétrique Détermination de l instant de retour du signal réfléchi Détection sur le front montant

21 Détection bathymétrique - limitations - Double echo - trajet fond / surface / fond P 2P - Détection d objets dans la colonne d eau - poissons, algues

22 Correction des données (temps réel) Célérité : P 1 = c (Tr Te) / 2 Pilonnement : P 2 = P 1 + 0,5 * [ Pt(E) +Pt(R) ] Immersion : P 3 = P 2 + I c Z = 0 c( z) dz Immersion Pilonnement

23 Visualisation des données - Echogramme Echogramme P = f(t) 10 m 16:40:00 16:40:30 16:41:00 16:41:30 15 m Visu «oscilloscope» Ampl = f(t) 20 m 25 m 11/09/ :41:56 L = N G = W 21.6 m F = 200 khz τ = 0,1 ms Te = 50 ms Pt = 0.43 m C = Données numériques V = 6.7 nd C =

24 Simrad EA 600 Visualisation des données - Echogramme

25 Knudsen (33 khz)

26 Reson Navisound 200

27 sondeur monofaisceau Architecture système GPS Navigation Acquisition / archivage Ecran barreur C (célérité) Immersion du transducteur Sondeur Centrale pilonnement transducteur

28 sondeurs hydrographiques - quelques constructeurs (1) -Kongsberg Maritime (ex Simrad) (Norvège) -Atlas Hydrographic (Allemagne) -Knudsen Engeenering (Canada) -Reson (Danemark) -.

29 sondeurs hydrographiques - quelques constructeurs (2) -Marimatech (Danemark) -Kaijo Sonic (Japon) - Odom (US - Louisiane) -SyQwest (US Rhode Island)

30 sondeurs hydrographiques - quelques constructeurs (3) -Elac Nautik (Allemagne) -Meridata (Finlande) - Ohmex (UK) -.

31 Sondeur monofaisceau - résolution Résolution : capacité du système à distinguer deux objets proches Résolution «verticale» Rv = cτ / 2 τ = 0,1 ms -> Rv = 7,5 cm τ = 1 ms -> Rv = 75 cm Résolution «horizontale» Rh = 2 P tan (θ 3 ) 2θ 3 = 10 - P = 10 m -> Rh = 1,8 m 2θ 3 = 10 - P = 1000 m -> Rh = 180 m P Rh = 2 P tan (θ 3 ) Rv = cτ / 2

32 Sondeur monofaisceau erreur de pente P réelle (Pr) P mesurée (Pm) 2θ 3 α

33 Restitution du fond t t -1 t t +1 t -1 t +1 La dimension d un objet «vu par le sondeur» dépend de la largeur du faisceau, pas de la dimension réelle de l objet.

34 Restitution du fond fond réel fond «vu par le sondeur» Pmesurée < = P réelle

35 Sondeur monofaisceau - précision Précision : incertitude sur la profondeur mesurée Bilan des erreurs : Détection bathymétrique σt (s) # τ / 2 σ 1 = c σt / 2 # c τ / 4 Célérité σc # 0.3 m/s σ 2 = P σc / c # P / 5000 Pilonnement σpt # max (0.1 m, 10% H vague) σ 3 = σpt # 0.1 m Immersion du transducteur σi # 0,01 m σ 4 = σpt # 0.01 m Marée σm # 0,05 m σ 5 = σm # 0.05 m Erreur totale : σ 2 + σ 3 + σ 4 σ 5 σ = σ + total

36 Sondeur monofaisceau - précision 0,35 0,3 0,25 Erreur (m) 0,2 0,15 0,1 0, Profondeur (m) sondeur pilonnement marée célérité Immersion transducteur Erreur totale

37 Sondeur monofaisceau - portée Équation du sonar : bilan énergétique NE 2PT NB + TS + GDr > SD NE : Niveau d émission 2PT : Perte de transmission : 2PT = 40 log P + 2α P IR : indice de rétrodiffusion : TS = BS + 10 log A A = π (P tan θ 3 ) 2 GDr : Indice de directivité en réception : GDr = 20 log (πd / λ) SD : seuil de détection : typiquement 10 db