Systèmes sonar. Principes, fonctionnalités & performances. Xavier Lurton, Yves Le Gall, Laurent Berger Service Acoustique Sous-marine IMN/NSE/AS
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- Gabin Roussel
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1 Systèmes sonar Principes, fonctionnalités & performances Xavier Lurton, Yves Le Gall, Laurent Berger Service Acoustique Sous-marine IMN/NSE/AS
2 Sommaire Systèmes sonar généralités (XL) Cartographie des fonds (XL) Bathymétrie & réflectivité Sondeurs multifaisceaux, sonars latéraux Imagerie & réflectivité de la colonne d eau (LB) Sondeurs halieutiques et cartos, ADCP Imagerie & mesure du sous-sol (YLG) Sondeurs de sédiments Systèmes sonar de la FOF (YLG) 2
3 Sonar actif : géométrie & intensité Source Propa Cible Propa Récepteur T I (t) A partir du même signal, deux utilisations. Retard de l écho Distance & Angle Localisation de cible Bathymétrie, cartographie Mesure Temps-Phase Géométrie Traitement Signal Intensité écho Indice de cible Nature & structure cible Caracterisation fond Quantité et classif. biomasse Mesure Amplitude Physique Etalonnage 3
4 Directivité transducteurs En émission ou réception L l Omnidirectionnel L >> l Directivité Lobe principal Lobes secondaires l L En émission: Augmentation du niveau (à puissance électrique donnée) Sélectivité spatiale de l insonification En réception: Diminution du bruit ambiant (filtrage spatial) Séparation des cibles (résolution) 4
5 Précision de mesure: géométrie y z q R Géométrie sondage = mesure distance & angle (R, q) Mesure retard écho t R = c.t/2 Précision de mesure de temps Maîtrise de la célérité c Mesure d angle q Traitement d antenne Réfraction par profil de célérité Compensations mouvements 5
6 Précision de mesure: réflectivité NE SH NR G R A/D D E D R PT PT (BS) IC (A) Réflectivité = mesure indice de cible IC NR = NE 2PT + IC avec IC = BS + 10logA BS = intrinsèque ; A = étendue cible Mesure de niveau reçu absolu Maîtrise des sensibilités Emission/Réception Contrôle géométrie & pertes de transmission 6
7 Résolution Capacité du sondeur à séparer des cibles distinctes x x q q ct/2 z En distance z et en angle En général, résolution sondeurs inhomogène: Radiale constante dz = c.t/2 Transversale variable / distance dx = q.z 7
8 Portée - Couverture Limitation de la zone couverte par q max Ouverture angulaire q max X max R max Portée maximale R max en : Détection (Signal/bruit) Précision (Signal/bruit) Résolution (Ouverture faisceaux, durée signal) Réfraction / profil célérité c(z) 8
9 Sondage : Applications Halieutique & biologie Estimation quantitative biomasse Classification d espèces Pêche Prospection Contrôle captures Hydrographie Cartographie marine Surveillance voies navigables Environnement Monitoring Fonds Surveillance impact Détection pollution Navigation Bathymétrie locale Loch Doppler Evitement d obstacles Géosciences Topographie, morphologie Classification fonds Dégagements gaz & fluides Sondage sédiments Industrie offshore Prospection Dragage Monitoring de sites Océano Physique Courantométrie 9
10 Cartographie des Fonds 10
11 Sonar latéral: principe 11
12 Sonar latéral: principe 12
13 Sondeur multifaisceau Mesures de la hauteur d'eau Mesures de la réflectivité Double fonctionnalité: bathymétrie & réflectivité Mesures individuelles / nombreux faisceaux étroits (0.5 à 2 ) Plusieurs centaines de sondes simultanées Pourquoi pas? Thalia 13
14 Exemples de résultats 14
15 Mesure bathymétrique temps t angle q Pour chaque faisceau n Mesure (temps, angle) x n = c t n /2 sinq n z n = c t n /2 cosq n Correction mouvements Profil du fond { x n, z n } Bathy célérimétrie 15
16 Formation de voies l L t 2 d sinq l t t j i q d 16
17 Capteurs annexes Centrale d attitude Roulis, tangage, pilonnement, lacet... Accéléromètres + Gyroscopes F.O. Positionnement GPS DGPS, RTK Célérité / antenne Thermosalinomètre Célérimètre Profil de célérité Marée Sondes perdables (XBT) Profileurs Marégraphe Modélisation 17
18 Précision bathymétrique RSB acoustique Célérité antenne Centrale attitude Config. Installation Config. mesure t q h x, y Navigation Bulles Profil Célérité Hervé Bisquay (Genavir) Sondes rel./sonar Sondes géoréférencées (x,y,z) Marée Etat de l art (2015) : dh/h 1 à 2 o /oo 18
19 Résolution Contrôlée par l ouverture des faisceaux Pas de grille: m Ouverture faisceaux Hervé Bisquay (Genavir) 19
20 Dimensionnement des SMF Performances typiques aujourd hui: Ouverture totale : 120 à 140 (150 ) Nombre de faisceaux : 120 à 200 (800) Ouverture faisceaux : 1 à 2 (0.5 ) Précision de mesure bathymétrique : 0,1% à 0,5% Fréquence Utilisation Profondeur Fauchée km²/jour Résol. Hor. Navires 12 khz Grands fonds 30 khz Talus, pente 4000 m m 1000 m m 20 km m Hauturiers 10 km m Hauturiers 100 khz Plateau 100 m 500 m 1 km m Côtiers 200 à 500 khz Petits fonds 20 m 100 m 100 m m Côtiers, engins 20
21 Investigation de la colonne d eau 21
22 Champs d application hauturier Cartographie habitats pélagiques : Abondance poissons/planctons Structuration spatiale des espèces en lien avec l environnement Comportement agrégatifs, mesure de réaction au navire Abondance anchois Caractérisation couches Doray 2013 Rémond
23 Champs d application hauturier Cartographie fluides de fond de mer Positionnement sorties Estimation débit sources Océanographie physique Mesure doppler en routine Imagerie par sondeur Microstructure océanique Superposition mesure courant ADCP et sondeur EK60 Lazure et al
24 Champs d application côtier Monitoring côtier Cartographie végétation Cordier 2015 Observation sédiment en suspension Transports sédimentaires Impact activités anthropiques Simons et al
25 Caractérisation des cibles Signature spatiale Sondeur multifaisceau Echelles individu/banc/ communauté Signature spectrale Sondeur multifréquence Propriétés physiques des cibles 25
26 De l écho à l abondance Etalonnage en réflectivité Usine, labo, à quai, en mer Cibles étalons dans la colonne d eau Zones de référence sur le fond mesure absolue de réflectivité Réponse de cibles Mesure index de cibles individuelles Modèle acoustique de cibles Modèle de propagation 26
27 Compromis des capteurs Sonar Portée Résolution Fauchée Signal Intégration Etalonnage Monofaisceau Portée dépend de la fréquence Faible résolution Faible couverture Grande dynamique signal Facile, navires, engins, observatoires Multifaisceau halieutique ME70 Portée plateau Bonne résolution Bonne couverture Grande dynamique signal Navire uniquement Multifaisceau cartographie Portée dépend de la fréquence Très bonne résolution Très bonne couverture Dynamique signal limitée Navires et engins hautes fréquences Navires uniquement basses fréquences Difficile. Zone de référence. Intercalibration monofaisceau. Sonar omnidirectionnel Portée dépend de la fréquence Faible résolution Bonne couverture Dynamique signal limitée Navires Difficile. Sur bille dans l avenir. ADCP Portée dépend de la fréquence Faible résolution Faible couverture Bonne dynamique signal Facile, navires, engins, observatoires Difficile. Intercalibration monofaisceau. 27
28 Compromis des capteurs Impact des lobes secondaires Lobes secondaires lest Bille étalonnage et lest Kongsberg EM302 Lobes secondaires du fond ME70 mode bathymétrique ME70 mode halieutique ME70 mode halieutique 28
29 Perspectives capteurs Sondeur large bande EK80 Spectre continu en fréquence Transducteurs monofaisceaux composites existants Sondeurs étalonnés dans la bande [60-250] khz Simrad
30 Sondeurs de sédiments 30
31 Principes de fonctionnement Exploitation des échos réfléchis (spéculaire) Basses fréquences : quelques khz Pénétration Mode FM : émission de chirps Traitement cohérent : corrélation des signaux reçus avec le signal émis Gain de traitement : 10*Log(B.T) B = Bande passante T = durée d émission Résolution verticale = c/2.b 31
32 Architecture du sondeur Navigation + Bathymétrie Attitude PC acquisition - SUBOP Cartes d acquisition Émission / Réception Traceur réseau Synchro PC scientifique Local sondeur Sortie analogique Entrée analogique Amplificateur de puissance Préamplificateur Adaptation d impédance + Aiguillage Coque, Carénage, Gondole, Poisson. Transducteur ou Antenne 32
33 Les différents types de SdS Navires Hauturiers Navires Côtiers Grands-fonds / AUV Emission 7 transducteurs 1 transducteur 1 transducteur Réception Même antenne Dépend de H 1 antenne Bande passante Pénétration maximale Résolution verticale [1.8, 5.3 khz] [1.7, 6 khz] [1.8, 6.2 khz] 100 m 50 m 70 m 30 cm 25 cm 25 cm Particularités 2 fois plus BF que les sondeurs classiques - Version coque - Version remorquée - Qualifié 3000 m - Electronique et PC containerisés 33
34 Les SdS des navires hauturiers Le Suroît Pourquoi pas? L Atalante Antenne Tx/Rx F ~1m Antenne Tx/Rx 1.4 x 0.7m Antenne Tx/Rx F ~1m Carénage du sondeur Gondole L ~12m Fenêtre acoustique Fenêtre acoustique 34
35 Les SdS des navires hauturiers Hauteur d eau de 4400 m Pénétration : ~60m Hauteur d eau de 4800 m Pénétration ~25m Pénétration : ~120m 35
36 Les SdS côtiers - Version coque Tx Rx Antenne Rx - 4 hydrophones (longueur ~800mm) Préampli Transducteur Tx (300) Fenêtre acoustique PC SUBOP 36
37 Les SdS côtiers remorqués Même transducteur en émission/réception Navigation du poisson en subsurface (< 1 m) à 30m du navire Système opérationnel mi
38 Les SdS grands-fonds - AUV Modem acoustique Container électronique Sonar d évitement d obstacles Vertical resolution : ~23 cm Antenne RX Transducteur TX 38
39 Systèmes sonar de la Flotte Océanographique Française 39
40 Systèmes sonar hauturiers Sondeurs F (khz) PP ATA THA SU EUR MD Multifaisceaux Grands-fonds Multifaisceaux Plateau/petits-fonds Monofaisceaux ADCP Sédiments
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