Le sondeur monofaisceau :

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1 Le sondeur monofaisceau : Un sondeur monofaisceau classique (de type sondeur de navigation par exemple), émet un signal acoustique vers le fond et analyse l écho retour. L instant de détection se traduit par un fort écho en provenance du fond. Le début de l enveloppe de l écho du fond est utilisé pour positionner le fond (respect de la sécurité de la navigation). Connaissant la vitesse de propagation du son dans l eau et le temps entre l émission du signal et la réception de l écho du fond, on détermine la distance entre le sondeur et le fond par la relation : R = C.dt / 2 Avec R : distance entre le sondeur et le fond (m) C : vitesse du son dans l eau (célérité en m/s) Dt : temps entre émission et réception (en s) A chaque émission le sondeur fournie une valeur de hauteur d eau sous le navire en analysant le signal retour. Signal retour R (distance) Echo retour du fond

2 Le sondeur mutlifaisceau Ce système acoustique permet d obtenir des hauteurs d eau à plusieurs endroits sous le navire, sur une bande plus ou moins large de bâbord à tribord. Phase d émission : Le signal émis par le système multifaisceau possède une directivité particulière. Transmis par une antenne linéaire, le signal envoyé va rencontrer le fond sur une bande très étroite, suivant la ligne de foi du navire, mais très large sur bâbord et tribord. Exemple d un secteur d émission du SMF Phase de réception : L antenne utilisée en réception est une antenne linéaire, perpendiculaire à l antenne d émission (principe des antennes en croix de Mills). Au cours de la phase de réception, chaque transducteur élémentaire, constituant l antenne, échantillonne les échos renvoyés par le milieu marin. On obtient ainsi une matrice contenant des informations sur le signal reçu, pour tous les transducteurs élémentaires, au cours de toute la phase d écoute. La formation des voies A partir de la matrice de réception il est possible de reconstituer avec précision le signal reçu par l antenne dans différentes directions. On construit ainsi artificiellement des faisceaux qui «écoutent» les signaux acoustiques suivant différents angles. C est le principe de formation de voies. Ce processus est réalisé en temps quasi-réel par le sondeur, juste après la phase de réception pour plusieurs centaines de faisceaux.

3 1 : Emission 2 : Réception 3 : Formation des voies N transducteurs élémentaires X faisceaux formés dans X directions Emission dans la colonne d eau Temps d écoute Réception pour chaque transducteur élémentaire : échantillonnage des signaux retour Formation des voies : analyse des échos dans les X directions choisies Exemple d un secteur d émission et de deux faisceaux en réception (plusieurs centaines en pratique) La détection du fond Une fois les faisceaux formés pour toutes les directions considérées, l analyse du signal permet de déterminer l instant de détection du fond. Deux méthodes existent principalement.

4 La détection de fond par amplitude : A l image du sondeur monofaisceau, le fort écho revenant du fond est utilisé pour détecter l instant de détection. Contrairement au monofaisceau, ce n est pas le début de l écho du fond qui est utilisé pour le positionner, mais le barycentre de l enveloppe du signal. L exactitude est ici meilleure lorsque le signal est fort et bref. Ant d = C.t θ Instant de détection du fond Exemple d une détection par amplitude sur un faisceau dépointé d un angle θ par rapport à la verticale La détection par phase : Pour les faisceaux dépointés, éloigné du nadir, l écho renvoyé par un fond plat n est plus fort ni bref. L enveloppe du signal s étale et la méthode de détection par amplitude n est plus efficace ici. On applique alors la méthode de détection par phase qui consiste à simuler deux demi-antennes écoutant dans la même direction. La mise en phase des 2 signaux écoutés par ces deux demi-antennes correspond alors à l instant de détection.

5 d ½ antenne n 1 ½ antenne n 2 d d.sinθ θ Création de deux demi antennes pour la détection par phase pour un faisceau

6 Ant1 Ant2 Détection du fond lors du passage à zéro de la rampe de phase Exemple d une détection par phase sur un faisceau (création de deux demi faisceaux et détection de la mise en phase) Les systèmes annexes Les antennes du sondeur multifaisceaux et l électronique associée permettent seulement de calculer des instants de détection du relief sous marin pour les différents faisceaux formés. Pour géoréférencer correctement les échos sur le fond des informations complémentaires sont indispensables. La célérité au niveau des transducteurs (Célérimètre de coque) : utilisé pour la formation des voies La célérité le long de la colonne d eau (bathycélérimètre) : le profil de célérité est utilisé pour reconstruire le «chemin acoustique» du signal reçu. L attitude du porteur (centrale d attitude et de cap ou gyro) : les mouvements de plateforme embarquant le sonar doivent être connus précisément pour corriger le positionnement des échos sur le fond. Les mouvements de roulis, tangage, pilonnement et cap sont pris en compte. La position du porteur (récepteur GNSS) : permet de positionner les échos dans un référentiel terrestre. L installation des senseurs annexes sur le porteur : la connaissance des distances et des angles de montages des sous systèmes par rapport au référentiel navire est nécessaire pour calculer leurs déplacements dans l espace. Enfin, un rattachement des hauteurs d eau par rapport à un référentiel est nécessaire (rattachement au zéro hydrographique par exemple).

7 Du signal acoustique à la donnée exploitable Sondeur direction d arrivée temps d arrivée Célérité Sur la coque Sur le profil Centrale d attitude roulis Tangage Cap Pilonnement Positionnement latitude et longitude synchronisation mesures de métrologie + Tirant d air ou tirant d eau Rattachement au zéro hydrographique Marée (temps différé) ou Z-GPS Caractéristiques des sondeurs multifaisceaux Fréquences d émission La fréquence d émission du sondeur va impacter sur sa portée. En effet du fait de l absorption de l eau de mer les basses fréquences vont se propager plus loin que les hautes fréquences. On peut définir quatre classes d équipement : Portées recherchées Fréquences habituellement utilisées Type de levé 100 à m (grands fonds) 30 à 3000 m (grands-moyens fonds) 5 à 500 m (moyens fonds) 0 à 100 m (petits fonds) khz Talus, dorsale et plaines abyssales khz Plateau, talus khz Plateau continental khz Zones littorales

8 Type d émission Aujourd hui les sondeurs multifaisceaux peuvent utiliser deux type d émissions : Emission en CW (Continious wave) : il s agit d une impulsion sinusïodale envoyé par le système. Emission FM (Frequency Modulation) : l émission se traduit par une monté en fréquence du signal lors de son émission. Longueur d impulsion En mode CW le signal transmis par le SMF est en réalité une portion de signal sinusoïdal limitée à une durée T. Plus la durée d émission est longue, plus la portée est grande, mais plus la résolution est faible. Cette durée d impulsion à l émission varie de 0.90µs à 15ms suivant les systèmes. En mode FM, avec le principe de la compression d impulsion, la résolution du système ne dépend plus de la longueur du signal émis, mais de la bande passante utilisée pour transmettre ce signal modulé en fréquence. Nombre de faisceaux Les sondeurs modernes forment plusieurs centaines de faisceaux. Sur certains systèmes, plusieurs sondes peuvent être calculées par faisceau. Enfin, plusieurs «fauchées» peuvent être transmise par cycle. Ainsi, un système peut transmettre deux fauchées en émission, former 256 faisceaux par fauchées, et définir 400 sondes par fauchée. Au total 800 sondes seront fournies par le système à chaque cycle. Répartition des sondes sur le fond Il existe deux principaux modes de répartition des sondes sur le fond : Le mode équiangle : L angle entre chaque faisceau formé est constant. L écartement des sondes sur le fond ne sera donc pas homogène : densité plus forte à la verticale du sondeur et plus faible pour les faisceaux extrêmes.

9 Illustration de la répartition équiangle sur une demi fauchée Le mode équidistant : L angle entre chaque faisceau varie de manière à avoir un espacement constant entre les sondes sur le sol Illustration de la répartition équidistant sur une demi fauchée Largeur angulaire Au nadir, suivant la taille des antennes, l ouverture angulaire du SMF est définie de la manière suivante : Θl est la largeur longitudinale du faisceau, directement liée au secteur d émission Θt est la largeur transversal du faisceau, directement liée à la réception. A noter que pour une antenne plane l ouverture Θt augmente avec le dépointage du faisceau (relation en 1/cosα avec α angle du faisceau formé).

10 θl Θt Illustration des angles définissant l ouverture des faisceaux du SMF Fréquence d échantillonnage Dans la phase de réception, chaque transducteur élémentaire échantillonne les signaux acoustiques renvoyés par le milieu. La cadence d échantillonnage définie le nombre d échantillon enregistré par seconde. Chaque échantillon possède une durée et donc une longueur spatiale. La longueur de l échantillon doit être le plus petit possible, dans la limite des possibilités du système. Les valeurs varient entre 37cm (pour le SMF grands fond) à 5mm (SMF petits fonds). Imagerie SMF Chaque échantillon possède une valeur de «réflectivité» qui correspond à l intensité acoustique de l écho reçu. Ainsi, autour de la détection du fond, la réflectivité des différents échantillons est utilisé pour créer une imagerie «acoustique», apportant ainsi des informations sur la nature du fond.

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