Systèmes sonarPrincipes, fonctionnalités & performances

Xavier Lurton, Yves Le Gall, Laurent Berger

Service Acoustique Sous-marine

IMN/NSE/AS

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

Sonar actif : géométrie & intensité

Source Propa Cible Propa Récepteur

A partir du même signal, deux utilisations….

Retard de l’écho Distance & Angle

Localisation de cible

Bathymétrie, cartographie

Mesure Temps-Phase

Géométrie

Traitement Signal

Mesure Amplitude

Physique

Etalonnage

Intensité écho Indice de cible

Nature & structure cible

Caracterisation fond

Quantité et classif. biomasse

T

I (t)

3

Directivité transducteurs

• 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)

En émission ou réception

L l Omnidirectionnel

L

lL >> l Directivité

• Lobe principal

• Lobes secondaires

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Précision de mesure: géométrie

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

q Rz

y

5

Précision de mesure: réflectivité

GRNE

SH

DEDR

A/D

(BS)

PT PT

NR

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

(A)IC

6

Résolution

Capacité du sondeur à séparer des cibles distinctes

7

En général, résolution sondeurs inhomogène:

• Radiale constante dz = c.T/2

• Transversale variable / distance dx = q.z

q

z

x

cT/2

En distance…

q

z

x

… et en angle

Portée - Couverture

• Limitation de la zone couverte par…

Xmax

Ouverture angulaire qmaxqmax

Portée maximale Rmax en :

• Détection (Signal/bruit)

• Précision (Signal/bruit)

• Résolution (Ouverture faisceaux,

durée signal)

Rmax

Réfraction / profil célérité c(z)

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Océano Physique

• Courantométrie

Industrie offshore

• Prospection

• Dragage

• Monitoring de sites

Sondage : Applications

Navigation

• Bathymétrie locale

• Loch Doppler

• Evitement d’obstacles

Halieutique & biologie

• Estimation quantitative biomasse

• Classification d’espèces

Géosciences

• Topographie, morphologie

• Classification fonds

• Dégagements gaz & fluides

• Sondage sédiments

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Environnement

• Monitoring Fonds

• Surveillance impact

• Détection pollution

Pêche

• Prospection

• Contrôle captures

Hydrographie

• Cartographie marine

• Surveillance voies navigables

Cartographie des Fonds

10

Sonar latéral: principe

11

Sonar latéral: principe

12

Sondeur multifaisceau

• Double fonctionnalité: bathymétrie & réflectivité

• Mesures individuelles / nombreux faisceaux étroits (0.5° à 2°)

• Plusieurs centaines de sondes simultanées

Mesures de la réflectivitéMesures de la hauteur d'eau

13

Pourquoi pas? Thalia

Exemples de résultats

14

Mesure bathymétrique

Pour chaque faisceau n

Mesure (temps, angle)

xn = c tn/2 sinqn

zn = c tn/2 cosqn

Profil du fond{ xn, zn } Bathy

célérimétrie

Correction mouvements

angle q

temps t

15

Formation de voies

L

l

d

q

t

ql

t sin

2d

tji

16

Capteurs annexes• Centrale d’attitude

• Roulis, tangage, pilonnement, lacet...

• Accéléromètres + Gyroscopes F.O.

• Positionnement

• GPS

• DGPS, RTK

• Célérité / antenne

• Thermosalinomètre

• Célérimètre

• Profil de célérité

• Sondes perdables (XBT)

• Profileurs

• Marée

• Marégraphe

• Modélisation 17

Précision bathymétrique

t q

Sondes rel./sonar

x, yh

Sondes géoréférencées (x,y,z)

RSB

acoustique

Config.

mesure

Bulles

Célérité

antenne

Profil

Célérité

Marée

Navigation

Centrale

attitude

Config.

Installation

18

Etat de l’art (2015) :

dH/H 1 à 2 o/oo

© Hervé Bisquay (Genavir)

Contrôlée par l’ouverture des faisceaux

Résolution

Pas de grille:

125 100 50 m

Ouverture faisceaux

2.5° 1° 0.5°

© Hervé Bisquay (Genavir)

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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%

20

Fréquence Utilisation Profondeur Fauchée km²/jour Résol. Hor. Navires

12 kHz Grands

fonds

4000 m

12 000 m

20 km 10 000 100 m Hauturiers

30 kHz Talus,

pente

1000 m

3 000 m

10 km 5 000 50 m Hauturiers

100 kHz Plateau 100 m

500 m

1 km 1 000 10 m Côtiers

200 à 500

kHz

Petits

fonds

20 m

100 m

100 m 200 1 m Côtiers,

engins

Investigation de la

colonne d’eau

21

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

22

Abondance anchois

Caractérisation couches

Doray 2013

Rémond 2014

Champs d’application hauturier

Cartographie fluides de fond de mer• Positionnement sorties

• Estimation débit sources

Océanographie physique• Mesure doppler en routine

• Imagerie par sondeur

23Lazure et al 2009

Microstructure océanique

Superposition mesure courant ADCP et sondeur EK60

Monitoring côtier• Cartographie végétation

• Observation sédiment en suspension

• Transports sédimentaires

• Impact activités anthropiques

Champs d’application côtier

24Simons et al 2010

Cordier 2015

Caractérisation des cibles

Signature spatiale• Sondeur multifaisceau

• Echelles individu/banc/

communauté

Signature spectrale• Sondeur multifréquence

• Propriétés physiques des cibles

25

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

Compromis des capteurs

27

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.

Compromis des capteurs

Impact des lobes secondaires

28

Kongsberg EM302 ME70 mode bathymétriqueLobes

secondaires

du fond

Lobes

secondaires

lest

Bille

étalonnage

et lest

ME70 mode halieutique ME70 mode halieutique

Perspectives capteurs

Sondeur large bande EK80• Spectre continu en fréquence

• Transducteurs monofaisceaux

composites existants

• Sondeurs étalonnés dans la

bande [60-250] kHz

29

Simrad 2014

Sondeurs de sédiments

30

31

Principes de fonctionnement

Exploitation des échos

réfléchis (spéculaire)

→ Gain de traitement : 10*Log(B.T)

B = Bande passante

T = durée d’émission

→ Résolution verticale = c/2.B

• Basses fréquences : quelques kHz

Pénétration

• Mode FM : émission de chirps

• Traitement cohérent : corrélation des

signaux reçus avec le signal émis

32

Architecture du sondeur

PC acquisition - SUBOP

Cartes d’acquisition

Émission / Réception

Sortie

analogique

Amplificateur de puissance

Adaptation d’impédance

+ Aiguillage

Transducteur ou Antenne

Préamplificateur

Entrée

analogique

Navigation

+ Bathymétrie

Attitude

Traceur réseau

PC scientifique

Local sondeur

Coque, Carénage,

Gondole, Poisson.

Synchro

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[1.8, 5.3 kHz] [1.7, 6 kHz] [1.8, 6.2 kHz]

Pénétration

maximale100 m 50 m 70 m

Résolution

verticale30 cm 25 cm 25 cm

Particularités2 fois plus BF que les

sondeurs classiques

- Version coque

- Version remorquée

- Qualifié 3000 m

- Electronique et PC

containerisés

34

Les SdS des navires hauturiers

Carénage du sondeur

Le Suroît

Antenne Tx/Rx F ~1m

Pourquoi pas?

Antenne Tx/Rx F ~1m

Gondole L ~12m

Fenêtre acoustique

L’Atalante

Antenne Tx/Rx 1.4 x 0.7m

Fenêtre acoustique

35

Les SdS des navires hauturiers

Pénétration : ~120m

Pénétration ~25m

Hauteur d’eau de 4800 m

Pénétration : ~60m

Hauteur d’eau de 4400 m

36

Les SdS côtiers - Version coque

PC SUBOP

PréampliAntenne Rx - 4 hydrophones

(longueur ~800mm)

Transducteur Tx (300)

Fenêtre acoustique

RxTx RxTx

37

Les SdS côtiers remorqués

• Même transducteur en émission/réception

• Navigation du poisson en subsurface (< 1 m) à 30m du navire

• Système opérationnel mi-2015

Transducteur TXAntenne

RX

Sonar d’évitement

d’obstacles

Modem acoustique

Container électronique

38

Les SdS grands-fonds - AUV

Vertical resolution : ~23 cm

Systèmes sonar de la

Flotte Océanographique

Française

39

40

Systèmes sonar hauturiers

Sondeurs F (kHz) PP ATA THA SU EUR MD

Multifaisceaux

Grands-fonds

12

24

30

Multifaisceaux

Plateau/petits-fonds

70-100

70-120

200-300-400

Monofaisceaux

12

18

38

70

120

200

333

ADCP

38

75

150

Sédiments 1.8 - 5.3

2.5 - 7