Sonar à balayage latéral

Sonar à balayage latéral

GÉOLOGIE ET ​​BIOLOGIE MARINE

Sonar à balayage latéral

Je voulais présenter le discours sur un outil désormais largement utilisé en géologie marine, Je parle de la sonar à balayage latéral.

Il a été expérimenté pour la première fois entre 1950 et 1960 depuis Professeur Harold Edgerton dans les laboratoires d'océanographie d'Hudson. Cet instrument a d'abord été utilisé par l'US Navy, puis transformé en un excellent allié pour l'identification des épaves, ce n'est qu'après quelques années qu'il a été utilisé pour l'étude des fonds marins.

C'est à tous égards un sonar, mais contrairement à celui-ci, renvoie une image tridimensionnelle du fond marin, ayant la capacité d'émettre des impulsions latérales. Les impulsions sonores qu'il émet sont comprises entre 100 et 500 KHz, mais plus la fréquence utilisée est élevée, donc la résolution de l'image, plus l'angle de vision est bas. Ce sera donc le technicien, au fur et à mesure de l'analyse de l'arrière-plan, qui décidera s'il préfère une vue plus large ou une image plus définie.

Le sonar à balayage latéral est formé par un instrument semblable à une petite torpille qui procède dans l'eau, appelé "poisson", de câble qui porte les données collectées sur le bateau, et de une unité de contrôle et d'enregistrement des données, généralement un ordinateur portable.

L'unité sous-marine est remorquée par le bateau le long des itinéraires préalablement décidés, toute anomalie due à la vitesse du véhicule est automatiquement corrigée. L'instrument n'utilise pas la réflexion des ondes acoustiques mais leur diffraction, l'impulsion sonore est envoyée par deux transducteurs présents sur le "poisson": si une onde frappe une surface qui a un angle faisant face à l'onde elle-même, telle qu'une surface déconnectée, le front d'onde se plie autour des déconnexions donnant naissance à une onde diffractée. Chaque point du fond atteint par une onde acoustique, s'il présente des caractéristiques appropriées, devient une source d'ondes diffractées.

La fréquence et la longueur de l'onde dépendent des caractéristiques du fond. Le retour de l'onde acoustique il est donc enregistré par les transducteurs et le signal est commuté en une image constituée d'une série de lignes constituées de points uniques (pixels), chaque ligne est la représentation des échos produits par une seule impulsion. Sur la base de l'amplitude du signal de retour (donc de la morphologie de l'arrière-plan), l'instrument crée une image dans les tons de gris, semblable à une photo aérienne en noir et blanc.

Une fois les données enregistrées, nous aurons des "stries" du fond marin, qui pour être renvoyés à l'utilisateur sous forme de carte finale, sont traités par un logiciel spécifique.

Le sonar à balayage latéral est utilisé pour une variété de choses: identification des épaves, identification des dangers éventuels pour la navigation, étude de la bathymétrie pour le positionnement des câbles ou des conduits pétroliers / gaziers, et pour la construction de cartes détaillées.

Il existe deux types d'outils: un pour le relevé des côtes, à moins de 400 mètres, et un autre pour les eaux profondes de plus de 1000 m.

En cas d'investigation sur sol dur, donc rocheux, l'utilisation du sonar à balayage latéral est déconseillée, en raison de l'illisibilité des données obtenues.

Dr Rossella Stocco


Sonar à balayage latéral


Le sonar à balayage latéral crée une image du fond à l'aide d'ondes sonores. Bien que cela puisse ressembler à une image, l'image dépend de l'interaction des ondes sonores avec le fond. Le système utilise l'heure du retour pour calculer une distance, puis affiche l'intensité du retour dans une nuance de gris. L'intensité du retour dépend de:

  • Dureté du fond. Les fonds durs et rocheux reflètent la majeure partie du son, tandis que les fonds doux et boueux absorbent la majeure partie de l'énergie. Les caractéristiques artificielles sont généralement difficiles, et des choses comme les casiers à crabe ont un certain nombre de surfaces inclinées qui agissent de la même manière que les réflecteurs radar sur les mâts d'un voilier pour refléter beaucoup d'énergie et peuvent sembler plus grandes qu'elles ne le sont vraiment.
  • Douceur du fond. Un fond lisse agit comme un miroir et ne réfléchit le son que dans une seule direction - ainsi, à moins que le faisceau ne frappe le fond à un angle de 90 °, la réflexion ne reviendra pas sur le poisson. Une surface rugueuse dispersera le son et certains reviendront. Ce qui est lisse dépend de la longueur d'onde de l'énergie - pour la lumière, un miroir doit être incroyablement lisse (environ 500 nanomètres), mais pour les sonars, lisse ou rugueux est à l'échelle de quelques centimètres, ce qui est de la même taille que pour l'énergie radar utilisée pour certaines applications de cartographie sur terre.
  • Pente du fond. Il y aura de meilleurs retours lorsque le son atteint un fond incliné vers le haut et loin du poisson, et peu de retours lorsque le fond descend.

  • Largeur d'andain: la distance parcourue de part et d'autre du poisson de remorquage. Ceci est généralement régi par un angle de dépression fixe pour les faisceaux sonores émis, et la largeur réelle dépend de la hauteur du poisson au-dessus du fond qui peut être contrôlée.
  • TWTT (temps de trajet dans les deux sens): le temps nécessaire pour que le son passe du poisson à la cible et revienne. À partir du TWTT et de la vitesse du son, la plage oblique par rapport à la cible peut être calculée.
  • Distance oblique: distance de la cible parcourue par le son. C'est l'hypoténuse du triangle avec la hauteur du poisson et la vraie distance horizontale au sol comme les autres pattes.
  • Recul.
  • Traverser la piste et le long de la piste: chaque ping du balayage latéral recueille des données dans la direction transversale, perpendiculaire au navire et au chemin de remorquage. Au fur et à mesure que le poisson remorqué se déplace dans la direction de la piste, le ping suivant sera déplacé et l'image de la ligne suivante dans la direction de la piste. La partie de l'image montrant la colonne d'eau indiquera la direction le long de la piste si l'image a été géométriquement corrigée pour supprimer la colonne d'eau, les pixels déformés révéleront la direction de la piste.
Les retours forts sont désormais généralement affichés en blanc, et aucun retour en noir, indiquant l'ombre sonore. Ce n'était pas toujours le cas avec les premiers systèmes qui n'utilisaient qu'un enregistreur papier et ne mettaient que de l'encre noire sur les cibles. Vous devez toujours vérifier la convention de couleur utilisée dans les images que vous regardez. Les couleurs sont parfois également utilisées pour mettre en évidence des retours très forts et pour garder une alerte au stand de la montre dès leur arrivée. Une palette de couleurs or est la plus courante aujourd'hui.
Niveaux de grisÉchelle de couleur or personnalisée

Les basses fréquences s'atténuent moins et les baleines voyagent plus loin utilisent les basses fréquences pour augmenter la portée de leur communication.

La figure 1 ci-dessous montre deux vues du sous-marin S5. L'image de gauche est plus petite, ce qui indique que le sonar fonctionnait avec une portée plus longue. Cela fournit moins de détails, mais couvre une large zone, et c'est généralement la façon dont les sonars sont utilisés pour la recherche. Les sonars à balayage latéral sont conçus pour voir le fond marin de côté et fournissent une géométrie très médiocre directement sous le poisson remorqué (figure 2). Sur les figures 1 et 2, la trajectoire du poisson remorqué est représentée par les grands pixels. Pour l'image du S5, une fois que le navire de surveillance de la NOAA a localisé l'épave, ils sont passés à une courte portée sur le balayage latéral pour collecter une meilleure image, et ils sont revenus pour un deuxième passage avec la trace du navire orientée dans la même direction que l'épave. . De plus, ils ont assuré que l'épave se trouvait au milieu d'un chenal et non sous le poisson. Si le levé qui a acquis la figure 12 s'intéressait aux détails de l'épave, ils auraient pris un deuxième passage et assuré qu'ils passaient sur le côté de l'épave. En plus de ne pas vouloir passer au-dessus de l'épave, le remorqueur doit être proche du fond pour accentuer les ombres. Notez que sur la figure 11, les ombres fournissent plus d'informations que la partie réelle de l'image de l'épave.

La zone éclairée est le reflet et l'obscurité est l'ombre.

Les navires d'étude peuvent acquérir simultanément une bathymétrie multifaisceaux et des images de sonar à balayage latéral (figure 7), et la combinaison de ces résultats augmente considérablement ce qu'un analyste peut voir dans les données (figure 13).

Figure 13. Comparaison d'anciens systèmes à balayage latéral et à faisceaux multiples sur une épave de navire. Les nouveaux systèmes à haute résolution se trouvent à droite de l'image.

Le levé à balayage latéral a une largeur d'andain, qui correspond à la zone couverte. C'est un peu moins du double de la plage, puisque la plage citée est la plage oblique pour chaque canal. Si le poisson est à la hauteur préférée (15% de la largeur de l'andain), la distance horizontale sur le fond est d'environ 99% de la plage. Si les traces du navire étaient exactement deux fois plus importantes, vous obtiendriez une couverture de presque 100%, mais la région directement sous le poisson-remorqueur aurait une couverture terrible. Si les traces du navire étaient à la moitié de l'espacement, vous couvririez chaque point du fond deux fois, et la région directement sous le poisson sur un passage serait au bord du passage suivant. Dans les deux cas, vous voudriez que l'espacement soit un peu plus étroit, pour éviter les espaces. L'espacement que vous choisissez dépend du temps et de l'argent disponibles, et du coût potentiel de manquer ce que vous recherchez.

Le sondeur à balayage latéral recueille des images. Un système associé, une bathymétrie multifaisceaux ou en andain, recueille des informations sur la profondeur.


Sonar à balayage latéral

Le logiciel leader de cartographie des fonds marins du secteur permet aux géomètres de:

  • Détectez les petites cibles grâce à une résolution améliorée sur toute la piste.
  • Identifiez les différences entre les anciennes et les nouvelles enquêtes grâce aux outils de transparence, de balayage ou de décalage de ligne de SonarWiz.
  • Préservez la fidélité totale des données du sondeur sur plusieurs formats. Par exemple, SonarWiz permet d'enregistrer dans des formats XTF standard de l'industrie ou spécifiques au fournisseur tels que Edgetech JSF ou Kongsberg-GeoAcoustics GCF.
  • Simplifiez l'exécution de la mission grâce à l'utilisation d'une solution de cartographie unique et facile à maîtriser.
  • Créez des rapports de contact de qualité supérieure grâce à des fonctionnalités d'édition améliorées. Exportez facilement des données dans divers formats, notamment PDF, OpenOffice, Microsoft Word et HTML.
  • Optimisez le temps passé sur l'eau grâce à l'utilisation d'outils de planification sophistiqués.
  • Réduisez les coûts en tirant parti de l'acquisition de données en temps réel pour confirmer la qualité et la couverture avant de quitter la zone de couverture.
  • Générez des mosaïques, des images de contact et de cascade à la pointe de la technologie avec des écrans 64 bits haute résolution.

Détails des fonctionnalités de SonarWiz

Planification de l'enquête
  • Chargez des cartes et des graphiques d'arrière-plan à partir d'une gamme de formats, notamment DNC, RNC, S57 et GeoTIFF.
  • Planifiez automatiquement des lignes de topographie parallèlement à une ligne de référence, dans un polygone en fonction de l'efficacité ou des modèles conventionnels.
  • Générez des cartes d'enquête planifiées au format GeoPDF, GeoTIFF, ECW, JPEG ou Google Earth.
  • Estimer le moment de l'enquête.
Post-traitement
  • Prévisualisez les fichiers avec la fonction SNIFF.
  • Ajoutez et corrigez les données de navigation avec NavInjectorPro.
  • Tirez parti du traitement avancé du signal et du contrôle du gain tirez parti de fonctionnalités telles que la correction de l'angle du faisceau, la suppression de la bande, la TVG non linéaire par canal, l'AGC, le filtrage et l'empilement passe-bande, la capture de contact (cible), l'annotation et le rapport de synthèse via la visionneuse 3D .
  • Employez des configurations flexibles.
  • Sortie facilement imprimable.
  • Génération de fichier de forme / grille de type Isopach de grille / contour à partir de variables sélectionnées (par exemple, altitude + profondeur).
Compatibilité matérielle

SonarWiz est compatible avec le matériel Sonar suivant:

  • Atlas NA, C-MAX, EdgeTech, Falmouth Scientific, GeoAcoustics, Imagenex, Innomar, Jetasonic, Klein Marine Systems, Knudsen, Kongsberg Hugin AUV, Kongsberg Mesotech, Marine Sonic, PingDSP, R2Sonic, SyQwest, Teledyne Benthos, Teledyne Gavia, Teledyne Odom et Tritech.
  • Veuillez consulter nos interfaces et formats de fichiers pris en charge pour une liste des nombreux formats que nous prenons en charge. Si vous n'en voyez pas, demandez simplement!


Points à considérer lors de l'achat d'un sondeur avec imagerie latérale

Il y a des choses importantes à considérer lors de l'investissement dans les sondes de profondeur à vue latérale.

Ci-dessous sont ceux-ci:

Pouvoir

Une puissance élevée est toujours bonne. C'est pourquoi en choisir un qui utilise des watts plus élevés est bon pour obtenir une puissance plus forte.

Fréquences

Vous devez vous assurer des résolutions dont vous avez exactement besoin. Déterminez simplement si vous avez besoin de fréquences simples, doubles ou multiples. Les fréquences jouent un rôle important sur l'efficacité des scanners sonar.

La règle d'or est de sélectionner la fréquence la plus élevée pour obtenir plus de détails à l'écran. Cependant, de nombreux professionnels expérimentés estiment que les fréquences plus basses sont idéales pour les eaux plus profondes et les fréquences plus élevées sont bonnes pour les eaux peu profondes.

Résolution d'écran

Une résolution d'écran plus élevée est toujours bonne. Il vous aide à obtenir des vues plus détaillées et à déterminer votre cible.

Transducteurs

Les transducteurs sont utilisés pour émettre des ondes sonar à travers l'eau pour entrer dans des représentations numériques d'objets non vivants, de structures et d'êtres vivants comme des chairs. Les transducteurs sont essentiels pour fabriquer des outils de recherche de poissons.

Couleur de l'écran

Le choix d'écrans haute résolution est bon pour obtenir une grande variété de couleurs qui vous aident à distinguer facilement différents objets. C'est pourquoi la bonne sélection d'écran est importante ici.

Qu'est-ce qu'un détecteur de poissons à imagerie latérale?

Comme son nom l'indique, un détecteur de poissons à imagerie latérale est essentiellement un appareil sonar utilisé pour trouver des poissons sous l'eau. Vous pouvez profiter au mieux de votre temps sur l'eau. Il utilise la technologie sonar fournie avec un transducteur particulier. Il vous suffit de le placer à l'extérieur du tableau arrière du bateau pour avoir une vue sur le banc de poissons.

L'aspect utilitaire du détecteur de poisson à balayage latéral

À l'aide d'un détecteur de poissons à imagerie latérale, vous serez en mesure de décider des lieux de pêche riches et de l'existence de bancs de poissons. Par conséquent, vous pouvez prendre les mesures nécessaires pour attraper facilement les poissons. Ainsi, vous pouvez simplifier votre expérience de pêche.

Sur la base des meilleures critiques de sondeurs de poissons, nous avons inclus les meilleurs sondeurs de poissons à imagerie latérale (de 2021) utilisant les meilleures technologies pour assurer une expérience fluide.


Le sonar à balayage latéral peut être utilisé pour mener des enquêtes pour l'archéologie marine en conjonction avec des échantillons de fond marin, il est capable de fournir une compréhension des différences de type de matériau et de texture du fond marin. L'imagerie sonar à balayage latéral est également un outil couramment utilisé pour détecter les débris et autres obstructions sur le fond marin qui peuvent être dangereuses pour la navigation ou pour les installations sur le fond marin par l'industrie pétrolière et gazière. En outre, l'état des pipelines et des câbles sur le fond marin peut être étudié à l'aide d'un sonar à balayage latéral. Les données de balayage latéral sont fréquemment acquises avec les sondages bathymétriques et les données du profileur sous-marin, offrant ainsi un aperçu de la structure peu profonde du fond marin. Le sonar à balayage latéral est également utilisé pour la recherche halieutique, les opérations de dragage et les études environnementales. Il a également des applications militaires, y compris la détection des mines.

Le balayage latéral utilise un dispositif sonar qui émet des impulsions coniques ou en forme d'éventail vers le fond marin sur un grand angle perpendiculaire à la trajectoire du capteur à travers l'eau, qui peut être remorqué à partir d'un navire de surface ou d'un sous-marin, ou monté sur le navire. coque. L'intensité des réflexions acoustiques du fond marin de ce faisceau en éventail est enregistrée dans une série de coupes transversales. Lorsqu'elles sont cousues ensemble le long de la direction du mouvement, ces tranches forment une image du fond marin dans l'andain (largeur de couverture) du faisceau. Les fréquences sonores utilisées dans le sonar à balayage latéral vont généralement de 100 à 500 kHz. Des fréquences plus élevées donnent une meilleure résolution mais moins de portée.

Technologie Modifier

Les premiers sonars à balayage latéral utilisaient un seul transducteur à faisceau conique. Ensuite, les unités ont été fabriquées avec deux transducteurs pour couvrir les deux côtés. Les transducteurs étaient soit contenus dans un emballage monté sur la coque, soit dans deux emballages de chaque côté du navire. Ensuite, les transducteurs ont évolué vers des faisceaux en forme d'éventail pour produire une meilleure image «sonogramme» ou sonar. Afin de se rapprocher du fond en eau profonde, les transducteurs à balayage latéral ont été placés dans un «poisson remorqueur» et tirés par un câble de remorquage.

Jusqu'au milieu des années 1980, les images de numérisation latérale commerciale étaient produites sur des disques papier. Les premiers enregistrements papier ont été produits avec un traceur de balayage qui a gravé l'image dans un enregistrement papier défilant. Les traceurs ultérieurs ont permis de tracer simultanément les informations de position et de mouvement sur le dossier papier. À la fin des années 1980, les systèmes commerciaux utilisant les systèmes informatiques les plus récents et les moins chers ont développé des convertisseurs de balayage numériques qui pourraient imiter à moindre coût les convertisseurs de balayage analogiques utilisés par les systèmes militaires pour produire des images du balayage affichées par la télévision et par ordinateur, et les stocker sur bande vidéo. . Actuellement, les données sont stockées sur les disques durs des ordinateurs ou sur des supports à semi-conducteurs.

Application militaire Modifier

L'un des inventeurs du sonar à balayage latéral était le scientifique allemand, le Dr Julius Hagemann, qui a été amené aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale et a travaillé au US Navy Mine Defense Laboratory, Panama City, FL de 1947 jusqu'à sa mort en 1964. Son travail est documenté dans le brevet américain 4 197 591 [1] qui a été divulgué pour la première fois en août 1958, mais est resté classifié par la marine américaine jusqu'à ce qu'il soit finalement publié en 1980. Des systèmes de sonar à balayage latéral expérimental ont été fabriqués au cours des années 1950 dans des laboratoires, dont la Scripps Institution of Oceanography and Hudson Laboratories et par le Dr Harold Edgerton du MIT.

Les sonars militaires à balayage latéral ont été fabriqués dans les années 1950 par Westinghouse. Des systèmes avancés ont ensuite été développés et construits à des fins militaires spéciales, comme pour trouver des bombes H perdues en mer ou pour retrouver un sous-marin russe perdu, dans les installations de Westinghouse à Annapolis dans les années 1990. Ce groupe a également produit le premier et le seul Sonar à angle de vue qui pourraient tracer des objets en regardant sous le véhicule.

Application commerciale Modifier

Le premier système commercial de balayage latéral était le Kelvin Hughes "Transit Sonar", un écho-sondeur converti avec un transducteur à faisceau en éventail à un seul canal monté sur poteau, introduit vers 1960. En 1963, le Dr Harold Edgerton, Edward Curley et John Yules a utilisé un sonar à balayage latéral à faisceau conique de 12 kHz pour trouver le vaisseau lège Vineyard englouti à Buzzards Bay, Massachusetts. Une équipe dirigée par Martin Klein à Edgerton, Germeshausen & Grier (plus tard EG & G., Inc.) a développé le premier système de sonar commercial à balayage latéral remorqué à double canal de 1963 à 1966. Martin Klein est généralement considéré comme le "père" du sonar commercial à balayage latéral. En 1967, Edgerton a utilisé le sonar de Klein pour aider Alexander McKee à trouver le vaisseau amiral d'Henry VIII. Marie Rose. La même année, Klein a utilisé le sonar pour aider l'archéologue George Bass à trouver un navire vieux de 2000 ans au large des côtes de la Turquie. En 1968, Klein a fondé Klein Associates (maintenant Klein Marine Systems) et a continué à travailler sur des améliorations, y compris les premiers systèmes commerciaux à haute fréquence (500 kHz) et les premiers sonars à balayage latéral à double fréquence, et les premiers combinés à balayage latéral et sous- sonar de profilage de fond. En 1985, Charles Mazel de Klein Associates (aujourd'hui Klein Marine Systems, Inc.) a produit les premières vidéos de formation commerciales sur sonar à balayage latéral et la première Manuel de formation du sondeur à balayage latéral et deux océanographes ont trouvé l'épave du RMS Titanesque.

Pour la surveillance de vastes zones, le sonar à balayage latéral GLORIA a été développé par Marconi Underwater Systems et l'Institut des sciences océanographiques (IOS) pour le NERC.GLORIA signifie Geological Long Range Inclined Asdic. [2] Il a été utilisé par le US Geological Survey et l'IOS au Royaume-Uni pour obtenir des images des plateaux continentaux du monde entier. Il fonctionnait à des fréquences relativement basses pour obtenir une longue portée. Comme la plupart des sonars à balayage latéral, l'instrument GLORIA est remorqué derrière un navire. GLORIA a un taux de ping de deux par minute et détecte les retours d'une portée allant jusqu'à 22 km de chaque côté du poisson sonar.


Contenu

  • 1 Histoire
    • 1.1 ASDIC
    • 1.2 SONAR
    • 1.3 Laboratoire de sonorisation sous-marine de l'US Navy
    • 1.4 Matériaux et conceptions aux États-Unis et au Japon
    • 1.5 Développements ultérieurs des transducteurs
  • 2 sondeur actif
    • 2.1 Projet Artemis
    • 2.2 Transpondeur
    • 2.3 Prédiction des performances
    • 2.4 Sonar portatif à utiliser par un plongeur
    • 2.5 Sonar orienté vers le haut
  • 3 Sonar passif
    • 3.1 Identification des sources sonores
    • 3.2 Limitations du bruit
    • 3.3 Prédiction des performances
  • 4 Facteurs de performance
    • 4.1 Propagation du son
    • 4.2 Diffusion
    • 4.3 Caractéristiques de la cible
    • 4.4 Contre-mesures
  • 5 applications militaires
    • 5.1 Guerre anti-sous-marine
    • 5.2 Torpilles
    • 5.3 Mines
    • 5.4 Contre-mesures contre les mines
    • 5.5 Navigation sous-marine
    • 5.6 Aéronef
    • 5.7 Communications sous-marines
    • 5.8 Surveillance des océans
    • 5.9 Sécurité sous-marine
    • 5.10 Sonar portatif
    • 5.11 Sonar d'interception
  • 6 Applications civiles
    • 6.1 Pêche
    • 6.2 Sondage d'écho
    • 6.3 Emplacement net
    • 6.4 ROV et UUV
    • 6.5 Emplacement du véhicule
    • 6.6 Prothèse pour les malvoyants
  • 7 applications scientifiques
    • 7.1 Estimation de la biomasse
    • 7.2 Mesure des vagues
    • 7.3 Mesure de la vitesse de l'eau
    • 7.4 Évaluation du type de fond
    • 7.5 Cartographie bathymétrique
    • 7.6 Profilage du sous-fond
    • 7.7 Détection des fuites de gaz du fond marin
    • 7.8 Ouvertures de sondeur synthétiques
    • 7.9 Sonar paramétrique
    • 7.10 Sonar dans des contextes extraterrestres
  • 8 Effet du sonar sur la vie marine
    • 8.1 Effet sur les mammifères marins
    • 8.2 Effet sur les poissons
  • 9 Fréquences et résolutions
  • 10 Voir aussi
  • 11 Notes explicatives
  • 12 citations
  • 13 Bibliographie générale
    • 13.1 Références acoustiques des pêches
  • 14 Lectures complémentaires
  • 15 Liens externes

Bien que certains animaux (dauphins, chauves-souris, certaines musaraignes et autres) aient utilisé le son pour la communication et la détection d'objets pendant des millions d'années, l'utilisation par les humains dans l'eau est initialement enregistrée par Léonard de Vinci en 1490: un tube inséré dans l'eau était dit être utilisé pour détecter les vaisseaux en plaçant une oreille sur le tube. [4]

À la fin du 19e siècle, une cloche sous-marine était utilisée comme accessoire aux phares ou aux bateaux-phares pour avertir des dangers. [5]

L’utilisation du son pour «repérer l’écho» sous l’eau de la même manière que les chauves-souris utilisent le son pour la navigation aérienne semble avoir été Titanesque catastrophe de 1912. [6] Le premier brevet au monde pour un appareil de télémétrie sous-marine a été déposé au British Patent Office par le météorologue anglais Lewis Fry Richardson un mois après le naufrage de Titanesque, [7] et un physicien allemand Alexander Behm a obtenu un brevet pour un échosondeur en 1913. [8]

L'ingénieur canadien Reginald Fessenden, alors qu'il travaillait pour la Submarine Signal Company à Boston, Massachusetts, a construit un système expérimental à partir de 1912, un système testé plus tard dans le port de Boston, et finalement en 1914 aux États-Unis. Coupeur de revenus Tu m'aimes sur les Grands Bancs au large de Terre-Neuve. [7] [9] Dans cet essai, Fessenden a démontré un sondage de profondeur, des communications sous-marines (code Morse) et un écho allant (en détectant un iceberg à une portée de 2 milles (3,2 km)). [10] [11] L '"oscillateur Fessenden", fonctionnant à une fréquence d'environ 500 Hz, était incapable de déterminer le cap de l'iceberg en raison de la longueur d'onde de 3 mètres et de la petite dimension de la face rayonnante du transducteur (moins de 1 ⁄3 longueur d'onde en diamètre). Les dix sous-marins britanniques de classe H construits à Montréal et lancés en 1915 étaient équipés d'oscillateurs Fessenden. [12]

Pendant la Première Guerre mondiale, la nécessité de détecter les sous-marins a suscité davantage de recherches sur l'utilisation du son. Les Britanniques ont utilisé très tôt des dispositifs d'écoute sous-marins appelés hydrophones, tandis que le physicien français Paul Langevin, en collaboration avec un ingénieur électricien immigré russe Constantin Chilowsky, a travaillé sur le développement de dispositifs sonores actifs pour détecter les sous-marins en 1915. Bien que les transducteurs piézoélectriques et magnétostrictifs aient supplanté plus tard les transducteurs électrostatiques qu'ils ont utilisés, ce travail a influencé les conceptions futures. Un film plastique léger sensible au bruit et des fibres optiques ont été utilisés pour les hydrophones, tandis que le Terfenol-D et le PMN (niobate de magnésium de plomb) ont été développés pour les projecteurs.

ASDIC

En 1916, sous l'égide du British Board of Invention and Research, le physicien canadien Robert William Boyle entreprit le projet de détection active du son avec A. B. Wood, produisant un prototype à tester au milieu de 1917. Ce travail pour la division anti-sous-marine de l'état-major de la marine britannique a été entrepris dans le plus grand secret et a utilisé des cristaux piézoélectriques de quartz pour produire le premier appareil de détection de son actif sous-marin pratique au monde. Pour garder le secret, aucune mention d'expérimentation sonore ou de quartz n'a été faite - le mot utilisé pour décrire les premiers travaux ("supersoniques") a été changé en "ASD" ics, et le matériau quartz en "ASD" ivite: "ASD" pour " Anti-Submarine Division ", d'où l'acronyme britannique ASDIC. En 1939, en réponse à une question du Dictionnaire anglais d'oxford, l'Amirauté a inventé l'histoire qu'elle représentait le «Comité d'enquête de détection de sous-marin allié», et cela est encore largement cru, [13] bien qu'aucun comité portant ce nom n'ait été trouvé dans les archives de l'Amirauté. [14]

En 1918, la Grande-Bretagne et la France avaient construit des prototypes de systèmes actifs. Les Britanniques ont testé leur ASDIC sur HMS Antrim en 1920 et a commencé la production en 1922. La 6e flottille de destroyers avait des navires équipés d'ASDIC en 1923. Une école anti-sous-marine HMS Balbuzard et une flottille de formation de quatre navires a été établie à Portland en 1924.

Au début de la Seconde Guerre mondiale, la Royal Navy disposait de cinq ensembles pour différentes classes de navires de surface, et d'autres pour les sous-marins, incorporés dans un système anti-sous-marin complet. L'efficacité des premiers ASDIC a été entravée par l'utilisation de la charge de profondeur comme arme anti-sous-marine. Cela a obligé un navire attaquant à passer au-dessus d'un contact submergé avant de larguer des charges au-dessus de la poupe, ce qui a entraîné une perte de contact ASDIC dans les moments précédant l'attaque. Le chasseur tirait effectivement à l'aveugle, période pendant laquelle un commandant de sous-marin pouvait prendre des mesures d'évitement. Cette situation a été corrigée avec de nouvelles tactiques et de nouvelles armes.

Les améliorations tactiques développées par Frederic John Walker comprenaient l'attaque rampante. Deux navires anti-sous-marins étaient nécessaires pour cela (généralement des sloops ou des corvettes). Le "navire de direction" a suivi le sous-marin cible sur ASDIC d'une position à environ 1500 à 2000 mètres derrière le sous-marin. Le deuxième navire, avec son ASDIC éteint et fonctionnant à 5 nœuds, a lancé une attaque à partir d'une position entre le navire dirigeant et la cible. Cette attaque était contrôlée par radio-téléphone depuis le navire dirigeant, en fonction de leur ASDIC et de la portée (par télémètre) et du cap du navire attaquant. Dès que les charges sous-marines ont été lâchées, le navire attaquant a quitté la zone immédiate à pleine vitesse. Le navire dirigeant est alors entré dans la zone cible et a également relâché un modèle de charges de profondeur. La faible vitesse d'approche signifiait que le sous-marin ne pouvait pas prédire quand les charges de profondeur allaient être lâchées. Toute action évasive a été détectée par le navire dirigeant et les ordres de direction au navire attaquant ont été donnés en conséquence. La faible vitesse de l'attaque avait l'avantage que la torpille acoustique allemande n'était pas efficace contre un navire de guerre voyageant si lentement. Une variante de l'attaque rampante était l'attaque «en plâtre», dans laquelle trois navires attaquants travaillant en ligne étroite de front étaient dirigés au-dessus de la cible par le navire dirigeant. [15]

Les nouvelles armes pour faire face à l'angle mort de l'ASDIC étaient des «armes à projection», telles que les hérissons et plus tard les calamars, qui projetaient des ogives sur une cible avant l'attaquant et toujours en contact avec l'ASDIC. Celles-ci ont permis à une seule escorte d'effectuer des attaques mieux ciblées sur les sous-marins. Les développements pendant la guerre ont abouti à des ensembles britanniques ASDIC qui utilisaient plusieurs formes différentes de faisceaux, couvrant en permanence les angles morts. Plus tard, des torpilles acoustiques ont été utilisées.

Au début de la Seconde Guerre mondiale (septembre 1940), la technologie britannique ASDIC a été transférée gratuitement aux États-Unis. La recherche sur l'ASDIC et le son sous-marin a été étendue au Royaume-Uni et aux États-Unis. De nombreux nouveaux types de détection de sons militaires ont été développés. Ceux-ci comprenaient des bouées sonores, développées pour la première fois par les Britanniques en 1944 sous le nom de code High Tea, sonar à immersion / immersion et sonar de détection de mines. Ces travaux ont constitué la base des développements d'après-guerre liés à la lutte contre le sous-marin nucléaire.

SONAR

Au cours des années 1930, les ingénieurs américains ont développé leur propre technologie de détection des sons sous-marins et d'importantes découvertes ont été faites, telles que l'existence de thermoclines et leurs effets sur les ondes sonores. [16] Les Américains ont commencé à utiliser le terme SONAR pour leurs systèmes, inventés par Frederick Hunt pour être l'équivalent de RADAR. [17]

Laboratoire de sonorisation sous-marine de l'US Navy

En 1917, la marine américaine acquiert pour la première fois les services de J. Warren Horton. En congé de Bell Labs, il a servi le gouvernement en tant qu'expert technique, d'abord à la station expérimentale de Nahant, Massachusetts, puis au quartier général de la marine américaine, à Londres, en Angleterre. À Nahant, il a appliqué le tube à vide nouvellement développé, alors associé aux étapes de formation du domaine de la science appliquée maintenant connue sous le nom d'électronique, à la détection des signaux sous-marins. En conséquence, le microphone à bouton en carbone, qui avait été utilisé dans les équipements de détection antérieurs, a été remplacé par le précurseur de l'hydrophone moderne. Pendant cette période également, il a expérimenté des méthodes de détection de remorquage. Cela était dû à la sensibilité accrue de son appareil. Les principes sont toujours utilisés dans les systèmes de sonars remorqués modernes.

Pour répondre aux besoins de défense de la Grande-Bretagne, il a été envoyé en Angleterre pour installer en mer d'Irlande des hydrophones montés au fond connectés à un poste d'écoute à terre par câble sous-marin. Pendant que cet équipement était chargé sur le navire câblier, la Première Guerre mondiale prit fin et Horton rentra chez lui.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il a continué à développer des systèmes de sonar capables de détecter les sous-marins, les mines et les torpilles. Il a publié Principes de base du sonar en 1957 comme consultant principal en recherche au US Navy Underwater Sound Laboratory. Il a occupé ce poste jusqu'en 1959, date à laquelle il est devenu directeur technique, poste qu'il a occupé jusqu'à la retraite obligatoire en 1963. [18] [19]

Matériaux et designs aux États-Unis et au Japon

Il y avait peu de progrès dans le sonar américain de 1915 à 1940. En 1940, les sonars américains se composaient généralement d'un transducteur magnétostrictif et d'un réseau de tubes en nickel connectés à une plaque d'acier de 1 pied de diamètre attachée dos à dos à un cristal de sel de Rochelle dans un boîtier sphérique. Cet ensemble a pénétré la coque du navire et a été tourné manuellement à l'angle désiré. Le cristal de sel piézoélectrique de Rochelle avait de meilleurs paramètres, mais l'unité magnétostrictive était beaucoup plus fiable. Les pertes élevées subies par les navires marchands américains au début de la Seconde Guerre mondiale ont conduit à des recherches américaines à grande échelle hautement prioritaires dans le domaine, visant à la fois à améliorer les paramètres des transducteurs magnétostrictifs et la fiabilité du sel de Rochelle. Le dihydrogénophosphate d'ammonium (ADP), une alternative supérieure, a été trouvé en remplacement du sel de Rochelle. La première application était un remplacement des transducteurs de sel de Rochelle à 24 kHz. En neuf mois, le sel de Rochelle était obsolète. L'usine de fabrication d'ADP est passée de quelques dizaines de personnes au début de 1940 à plusieurs milliers en 1942.

L'une des premières applications des cristaux ADP était les hydrophones pour les mines acoustiques, les cristaux ont été spécifiés pour une coupure basse fréquence à 5 Hz, résistant aux chocs mécaniques pour le déploiement d'aéronefs à partir de 3000 m (10000 pieds) et leur capacité à survivre aux explosions de mines voisines. L'une des principales caractéristiques de la fiabilité d'ADP est ses caractéristiques de vieillissement nul, le cristal conserve ses paramètres même pendant un stockage prolongé.

Une autre application concernait les torpilles à guidage acoustique. Deux paires d'hydrophones directionnels ont été montées sur le nez de la torpille, dans le plan horizontal et vertical, les signaux de différence des paires ont été utilisés pour diriger la torpille de gauche à droite et de haut en bas. Une contre-mesure a été développée: le sous-marin ciblé a déchargé un produit chimique effervescent, et la torpille est allée après le leurre pétillant plus bruyant. La contre-mesure était une torpille avec un sonar actif - un transducteur a été ajouté au nez de la torpille et les microphones écoutaient ses éclats de ton périodiques réfléchis. Les transducteurs comprenaient des plaques de cristal rectangulaires identiques disposées sur des zones en forme de losange en rangées décalées.

Les réseaux de sonars passifs pour sous-marins ont été développés à partir de cristaux ADP. Plusieurs assemblages de cristaux ont été disposés dans un tube en acier, remplis sous vide d'huile de ricin et scellés. Les tubes ont ensuite été montés en réseaux parallèles.

Le sonar à balayage standard de l'US Navy à la fin de la Seconde Guerre mondiale fonctionnait à 18 kHz, en utilisant un réseau de cristaux ADP. Une portée plus longue souhaitée, cependant, nécessitait l'utilisation de fréquences plus basses. Les dimensions requises étaient trop grandes pour les cristaux ADP, donc au début des années 1950, des systèmes piézoélectriques magnétostrictifs et titanate de baryum ont été développés, mais ceux-ci avaient des problèmes pour obtenir des caractéristiques d'impédance uniformes, et le modèle de faisceau en a souffert. Le titanate de baryum a ensuite été remplacé par du titanate de zirconate de plomb (PZT) plus stable, et la fréquence a été abaissée à 5 kHz. La flotte américaine a utilisé ce matériau dans le sonar AN / SQS-23 pendant plusieurs décennies. Le sonar SQS-23 a d'abord utilisé des transducteurs magnétostrictifs en nickel, mais ceux-ci pesaient plusieurs tonnes, et le nickel était cher et considéré comme un matériau critique, les transducteurs piézoélectriques ont donc été remplacés. Le sonar était un large éventail de 432 transducteurs individuels. Au début, les transducteurs n'étaient pas fiables, présentaient des pannes mécaniques et électriques et se détérioraient peu de temps après l'installation, ils étaient également produits par plusieurs fournisseurs, avaient des conceptions différentes et leurs caractéristiques étaient suffisamment différentes pour nuire aux performances de la matrice. La politique d'autoriser la réparation des transducteurs individuels a alors été sacrifiée, et la «conception modulaire extensible», des modules scellés non réparables, a été choisie à la place, éliminant le problème des joints et autres pièces mécaniques étrangères. [20]

Au début de la Seconde Guerre mondiale, la marine impériale japonaise utilisait des projecteurs à base de quartz. Celles-ci étaient grandes et lourdes, surtout si elles étaient conçues pour des fréquences plus basses que celle de l'ensemble Type 91, fonctionnant à 9 kHz, avait un diamètre de 30 pouces (760 mm) et était entraînée par un oscillateur d'une puissance de 5 kW et de 7 kV d'amplitude de sortie. . Les projecteurs Type 93 se composaient de solides sandwichs de quartz, assemblés en corps sphériques en fonte. Les sonars de type 93 ont ensuite été remplacés par le type 3, qui suivait la conception allemande et utilisait des projecteurs magnétostrictifs.Les projecteurs se composaient de deux unités indépendantes rectangulaires identiques dans un corps rectangulaire en fonte d'environ 16 x 9 pouces (410 mm × 230 mm). La zone exposée était large de la moitié de la longueur d'onde et haute de trois longueurs d'onde. Les noyaux magnétostrictifs étaient constitués d'emboutis de nickel de 4 mm, puis d'un alliage fer-aluminium avec une teneur en aluminium comprise entre 12,7% et 12,9%. L'alimentation a été fournie à partir d'un 2 kW à 3,8 kV, avec polarisation à partir d'une source 20 V, 8 A DC.

Les hydrophones passifs de la marine impériale japonaise étaient basés sur une conception à bobine mobile, des transducteurs piézoélectriques au sel de Rochelle et des microphones en carbone. [21]

Développements ultérieurs dans les transducteurs

Les transducteurs magnétostrictifs ont été recherchés après la Seconde Guerre mondiale comme une alternative aux transducteurs piézoélectriques. Des transducteurs à anneau enroulé en nickel ont été utilisés pour des opérations à basse fréquence à haute puissance, avec une taille allant jusqu'à 13 pieds (4,0 m) de diamètre, probablement les plus grands transducteurs de sonar individuels jamais réalisés. L'avantage des métaux est leur haute résistance à la traction et leur faible impédance électrique d'entrée, mais ils présentent des pertes électriques et un coefficient de couplage plus faible que le PZT, dont la résistance à la traction peut être augmentée par précontrainte. D'autres matériaux ont également été essayés, les ferrites non métalliques étaient prometteuses pour leur faible conductivité électrique entraînant de faibles pertes par courants de Foucault, le Metglas offrait un coefficient de couplage élevé, mais ils étaient globalement inférieurs au PZT. Dans les années 1970, des composés de terres rares et de fer ont été découverts avec des propriétés magnétomécaniques supérieures, à savoir l'alliage Terfenol-D. Cela a rendu possible de nouvelles conceptions, par ex. un transducteur hybride magnétostrictif-piézoélectrique. Le plus récent de ces matériaux magnétostrictifs améliorés est le galfénol.

D'autres types de transducteurs comprennent des transducteurs à réluctance variable (ou à armature mobile ou électromagnétique), où la force magnétique agit sur les surfaces des espaces, et des transducteurs à bobine mobile (ou électrodynamiques), similaires aux haut-parleurs conventionnels, ces derniers sont utilisés dans l'étalonnage du son sous-marin. , en raison de leurs fréquences de résonance très basses et de leurs caractéristiques de large bande plates au-dessus d'eux. [22]

Le sondeur actif utilise un émetteur de son (ou un projecteur) et un récepteur. Lorsque les deux sont au même endroit, c'est un fonctionnement monostatique. Lorsque l'émetteur et le récepteur sont séparés, il s'agit d'un fonctionnement bistatique. [23] Lorsque plus d'émetteurs (ou plus de récepteurs) sont utilisés, encore une fois séparés spatialement, il s'agit d'un fonctionnement multistatique. La plupart des sonars sont utilisés de manière monostatique, le même réseau étant souvent utilisé pour l'émission et la réception. [24] Les champs actifs de bouées acoustiques peuvent être exploités de manière multistatique.

Le sonar actif crée une impulsion sonore, souvent appelée «ping», puis écoute les réflexions (écho) de l'impulsion. Cette impulsion sonore est généralement créée électroniquement à l'aide d'un projecteur sonar constitué d'un générateur de signaux, d'un amplificateur de puissance et d'un transducteur / réseau électroacoustique. [25] Un transducteur est un appareil qui peut transmettre et recevoir des signaux acoustiques ("pings"). Un formateur de faisceau est généralement utilisé pour concentrer la puissance acoustique dans un faisceau, qui peut être balayé pour couvrir les angles de recherche requis. Généralement, les transducteurs électroacoustiques sont du type Tonpilz et leur conception peut être optimisée pour atteindre une efficacité maximale sur la plus large bande passante, afin d'optimiser les performances de l'ensemble du système. Parfois, l'impulsion acoustique peut être créée par d'autres moyens, par ex. en utilisant chimiquement des explosifs, des armes à air ou des sources sonores à plasma.

Pour mesurer la distance à un objet, le temps entre la transmission d'une impulsion et la réception est mesuré et converti en une plage en utilisant la vitesse connue du son. [26] Pour mesurer le relèvement, plusieurs hydrophones sont utilisés, et l'ensemble mesure le temps d'arrivée relatif à chacun, ou avec un réseau d'hydrophones, en mesurant l'amplitude relative des faisceaux formés par un processus appelé formation de faisceaux. L'utilisation d'un réseau réduit la réponse spatiale de sorte que pour fournir une large couverture, des systèmes multifaisceaux sont utilisés. Le signal cible (s'il est présent) ainsi que le bruit sont ensuite passés à travers diverses formes de traitement du signal, [27] qui, pour de simples sonars, peuvent être simplement une mesure d'énergie.Il est ensuite présenté à une certaine forme de dispositif de décision qui appelle la sortie soit le signal requis, soit le bruit. Ce dispositif de décision peut être un opérateur avec un casque ou un écran, ou dans des sonars plus sophistiqués, cette fonction peut être réalisée par un logiciel. D'autres processus peuvent être effectués pour classer la cible et la localiser, ainsi que pour mesurer sa vitesse.

L'impulsion peut être à fréquence constante ou un bip de fréquence variable (pour permettre la compression d'impulsion à la réception). Les sonars simples utilisent généralement le premier avec un filtre suffisamment large pour couvrir d'éventuels changements Doppler dus au mouvement de la cible, tandis que les plus complexes incluent généralement la dernière technique. Depuis que le traitement numérique est devenu disponible, la compression d'impulsions a généralement été mise en œuvre en utilisant des techniques de corrélation numérique. Les sonars militaires ont souvent plusieurs faisceaux pour fournir une couverture complète tandis que les plus simples ne couvrent qu'un arc étroit, bien que le faisceau puisse être tourné, relativement lentement, par balayage mécanique.

En particulier, lorsque des transmissions à fréquence unique sont utilisées, l'effet Doppler peut être utilisé pour mesurer la vitesse radiale d'une cible. La différence de fréquence entre le signal émis et reçu est mesurée et convertie en une vitesse. Étant donné que les décalages Doppler peuvent être introduits par le mouvement du récepteur ou de la cible, il faut tenir compte de la vitesse radiale de la plate-forme de recherche.

Un petit sonar utile a une apparence similaire à une lampe de poche étanche. La tête est pointée dans l'eau, un bouton est enfoncé et l'appareil affiche la distance par rapport à la cible. Une autre variante est un "sondeur" qui montre un petit écran avec des bancs de poissons. Certains sonars civils (qui ne sont pas conçus pour la furtivité) s'approchent des sonars militaires actifs en capacité, avec des affichages tridimensionnels de la zone près du bateau.

Lorsqu'un sonar actif est utilisé pour mesurer la distance entre le transducteur et le fond, on parle de sondage en écho. Des méthodes similaires peuvent être utilisées en regardant vers le haut pour la mesure des vagues.

Le sonar actif est également utilisé pour mesurer la distance dans l'eau entre deux transducteurs de sonar ou une combinaison d'un hydrophone (microphone acoustique sous-marin) et d'un projecteur (haut-parleur acoustique sous-marin). Lorsqu'un hydrophone / transducteur reçoit un signal d'interrogation spécifique, il répond en émettant un signal de réponse spécifique. Pour mesurer la distance, un transducteur / projecteur émet un signal d'interrogation et mesure le temps entre cette transmission et la réception de l'autre réponse transducteur / hydrophone. La différence de temps, mise à l'échelle par la vitesse du son dans l'eau et divisée par deux, est la distance entre les deux plates-formes. Cette technique, lorsqu'elle est utilisée avec plusieurs transducteurs / hydrophones / projecteurs, peut calculer les positions relatives d'objets statiques et en mouvement dans l'eau.

Dans les situations de combat, une impulsion active peut être détectée par un ennemi et révélera la position d'un sous-marin à deux fois la distance maximale à laquelle le sous-marin peut lui-même détecter un contact et donner des indices sur l'identité du sous-marin en fonction des caractéristiques du ping sortant. Pour ces raisons, le sonar actif n'est pas fréquemment utilisé par les sous-marins militaires.

Un type de sonar très directionnel, mais à faible efficacité (utilisé par les pêcheries, l'armée et la sécurité portuaire) utilise une caractéristique non linéaire complexe de l'eau connue sous le nom de sonar non linéaire, le transducteur virtuel étant connu sous le nom de tableau paramétrique.

Projet Artemis

Le projet Artemis était un projet expérimental de recherche et développement de la fin des années 1950 au milieu des années 1960 pour examiner la propagation acoustique et le traitement du signal pour un système sonar actif à basse fréquence qui pourrait être utilisé pour la surveillance des océans. Un objectif secondaire était l'examen des problèmes d'ingénierie des systèmes de fond actifs fixes. [28] Le réseau de réception était situé sur la pente de Plantagnet Bank au large des Bermudes. Le réseau de sources actives a été déployé à partir du pétrolier converti de la Seconde Guerre mondiale USNS Mission Capistrano. [29] Des éléments d'Artémis ont été utilisés expérimentalement après la fin de l'expérience principale.

Transpondeur

Il s'agit d'un dispositif sonar actif qui reçoit un stimulus spécifique et retransmet immédiatement (ou avec un retard) le signal reçu ou un signal prédéterminé. Les transpondeurs peuvent être utilisés pour activer ou récupérer à distance des équipements sous-marins. [30]

Prédiction des performances

Une cible sonar est petite par rapport à la sphère, centrée autour de l'émetteur sur lequel elle se trouve. Par conséquent, la puissance du signal réfléchi est très faible, plusieurs ordres de grandeur de moins que le signal d'origine. Même si le signal réfléchi était de la même puissance, l'exemple suivant (utilisant des valeurs hypothétiques) montre le problème: Supposons qu'un système sonar soit capable d'émettre un signal de 10000 W / m 2 à 1 m et de détecter un 0,001 W / m 2 signal. À 100 m, le signal sera de 1 W / m 2 (en raison de la loi du carré inverse). Si tout le signal est réfléchi par une cible de 10 m 2, il sera à 0,001 W / m 2 lorsqu'il atteindra l'émetteur, c.-à-d. juste détectable. Cependant, le signal d'origine restera au-dessus de 0,001 W / m 2 jusqu'à 3000 m. Toute cible de 10 m 2 entre 100 et 3000 m utilisant un système similaire ou meilleur serait capable de détecter l'impulsion, mais ne serait pas détectée par l'émetteur. Les détecteurs doivent être très sensibles pour capter les échos. Le signal d'origine étant beaucoup plus puissant, il peut être détecté plusieurs fois au-delà du double de la portée du sonar (comme dans l'exemple).

Le sonar actif a deux limitations de performances: en raison du bruit et de la réverbération. En général, l'un ou l'autre de ces effets dominera, de sorte que les deux effets peuvent être initialement considérés séparément.

Dans des conditions de bruit limité lors de la détection initiale: [31]

où SL est le niveau de la source, PL est la perte de propagation (parfois appelée perte de transmission), TS est la force de la cible, NL est le niveau de bruit, AG est le gain de la matrice de réception (parfois approximé par son indice de directivité) et DT est le seuil de détection.

Dans des conditions de réverbération limitées lors de la détection initiale (en négligeant le gain de la matrice):

où RL est le niveau de réverbération et les autres facteurs sont comme avant.

Sonar portatif à l'usage d'un plongeur

  • Le LIMIS (sonar d'imagerie de mine de patelle) est un sonar d'imagerie portatif ou monté sur ROV destiné à être utilisé par un plongeur. Son nom est dû au fait qu'il a été conçu pour les plongeurs de patrouille (hommes-grenouilles de combat ou plongeurs de déminage) à la recherche de mines à patelle dans des eaux peu visibles.
  • Le LUIS (système d'imagerie sous-marine à lentille) est un autre sonar d'imagerie destiné à être utilisé par un plongeur.
  • Il y a ou il y avait un petit sonar portable en forme de lampe de poche pour les plongeurs, qui affiche simplement la portée.
  • Pour l'INSS (système sonar de navigation intégré)

Sonar orienté vers le haut

Un sonar orienté vers le haut (ULS) est un appareil sonar pointé vers le haut en regardant vers la surface de la mer. Il est utilisé à des fins similaires au sonar orienté vers le bas, mais a des applications uniques telles que la mesure de l'épaisseur, de la rugosité et de la concentration de la glace de mer, [32] [33] ou la mesure de l'entraînement d'air des panaches de bulles pendant une mer agitée. Souvent, il est amarré au fond de l'océan ou flotte sur une ligne tendue mouillant à une profondeur constante de peut-être 100 m. Ils peuvent également être utilisés par les sous-marins, les AUV et les flotteurs tels que le flotteur Argo. [34]

Le sondeur passif écoute sans émettre. Il est souvent utilisé dans les milieux militaires, bien qu'il soit également utilisé dans des applications scientifiques, par exemple., détection des poissons pour les études de présence / absence dans divers environnements aquatiques - voir aussi acoustique passive et radar passif. Dans l'usage le plus large, ce terme peut englober pratiquement toute technique analytique impliquant un son généré à distance, bien qu'il soit généralement limité aux techniques appliquées dans un environnement aquatique.

Identifier les sources sonores

Le sonar passif dispose d'une grande variété de techniques pour identifier la source d'un son détecté. Par exemple, aux États-Unis les navires utilisent généralement des systèmes d'alimentation à courant alternatif de 60 Hz. Si des transformateurs ou des générateurs sont montés sans isolation adéquate contre les vibrations de la coque ou sont inondés, le son à 60 Hz des enroulements peut être émis par le sous-marin ou le navire. Cela peut aider à identifier sa nationalité, car tous les sous-marins européens et presque tous les sous-marins des autres pays ont des systèmes d'alimentation à 50 Hz. Des sources sonores intermittentes (comme une clé tombée), appelées «transitoires», peuvent également être détectables par un sonar passif. Jusqu'à récemment, [ lorsque? ] un opérateur expérimenté et formé a identifié les signaux, mais maintenant les ordinateurs peuvent le faire.

Les systèmes de sonar passifs peuvent avoir de grandes bases de données sonores, mais l'opérateur du sondeur classe finalement les signaux manuellement. Un système informatique utilise fréquemment ces bases de données pour identifier des classes de navires, des actions (c'est-à-dire la vitesse d'un navire ou le type d'arme larguée), et même des navires particuliers.

Limitations de bruit

Le sonar passif sur les véhicules est généralement sévèrement limité en raison du bruit généré par le véhicule. Pour cette raison, de nombreux sous-marins utilisent des réacteurs nucléaires qui peuvent être refroidis sans pompe, en utilisant la convection silencieuse, ou des piles à combustible ou des batteries, qui peuvent également fonctionner silencieusement. Les hélices des véhicules sont également conçues et usinées avec précision pour émettre un minimum de bruit. Les hélices à grande vitesse créent souvent de minuscules bulles dans l'eau, et cette cavitation a un son distinct.

Les hydrophones sonars peuvent être remorqués derrière le navire ou le sous-marin afin de réduire l'effet du bruit généré par l'embarcation elle-même. Les unités remorquées combattent également la thermocline, car l'unité peut être remorquée au-dessus ou au-dessous de la thermocline.

L'affichage de la plupart des sonars passifs était autrefois un affichage en cascade en deux dimensions. La direction horizontale de l'affichage est en direction. La verticale est la fréquence, ou parfois le temps. Une autre technique d'affichage consiste à coder en couleur les informations fréquence-temps pour le relèvement. Des affichages plus récents sont générés par les ordinateurs et simulent des affichages d'indicateurs de position de plan de type radar.

Prédiction des performances

Contrairement au sonar actif, seule la propagation unidirectionnelle est impliquée. En raison du traitement de signal différent utilisé, le rapport signal sur bruit détectable minimal sera différent. L'équation pour déterminer les performances d'un sonar passif est [35] [31]

où SL est le niveau de la source, PL est la perte de propagation, NL est le niveau de bruit, AG est le gain du réseau et DT est le seuil de détection. La valeur du mérite d'un sonar passif est

Les performances de détection, de classification et de localisation d'un sonar dépendent de l'environnement et de l'équipement de réception, ainsi que de l'équipement d'émission dans un sonar actif ou du bruit émis par la cible dans un sonar passif.

Propagation du son

Le fonctionnement du sonar est affecté par les variations de la vitesse du son, en particulier dans le plan vertical. Le son se propage plus lentement dans l'eau douce que dans l'eau de mer, bien que la différence soit faible. La vitesse est déterminée par le module de masse et la masse volumique de l'eau. Le module de masse est affecté par la température, les impuretés dissoutes (généralement la salinité) et la pression. L'effet de densité est faible. La vitesse du son (en pieds par seconde) est d'environ:

4388 + (11,25 × température (en ° F)) + (0,0182 × profondeur (en pieds)) + salinité (en parties pour mille).

Cette équation d'approximation dérivée empiriquement est raisonnablement précise pour les températures normales, les concentrations de salinité et la plage de la plupart des profondeurs océaniques. La température de l'océan varie avec la profondeur, mais entre 30 et 100 mètres, il y a souvent un changement marqué, appelé thermocline, séparant l'eau de surface plus chaude des eaux froides et calmes qui composent le reste de l'océan. Cela peut frustrer le sonar, car un son provenant d'un côté de la thermocline a tendance à être courbé ou réfracté à travers la thermocline. La thermocline peut être présente dans les eaux côtières moins profondes. Cependant, l'action des vagues mélangera souvent la colonne d'eau et éliminera la thermocline. La pression de l'eau affecte également la propagation du son: une pression plus élevée augmente la vitesse du son, ce qui fait que les ondes sonores se réfractent loin de la zone de vitesse du son plus élevée. Le modèle mathématique de la réfraction est appelé loi de Snell.

Si la source sonore est profonde et que les conditions sont réunies, la propagation peut se produire dans le «canal sonore profond». Cela fournit une perte de propagation extrêmement faible à un récepteur dans le canal. Ceci est dû au piégeage du son dans le canal sans perte aux limites. Une propagation similaire peut se produire dans le «conduit de surface» dans des conditions appropriées. Cependant, dans ce cas, il y a des pertes de réflexion en surface.

Dans les eaux peu profondes, la propagation se fait généralement par réflexion répétée à la surface et au fond, où des pertes considérables peuvent se produire.

La propagation du son est affectée par l'absorption dans l'eau elle-même ainsi qu'à la surface et au fond. Cette absorption dépend de la fréquence, avec plusieurs mécanismes différents dans l'eau de mer. Le sonar longue portée utilise des fréquences basses pour minimiser les effets d'absorption.

La mer contient de nombreuses sources de bruit qui interfèrent avec l'écho ou la signature de la cible souhaitée. Les principales sources de bruit sont les vagues et la navigation. Le mouvement du récepteur dans l'eau peut également provoquer un bruit basse fréquence dépendant de la vitesse.

Diffusion

Lorsqu'un sonar actif est utilisé, la diffusion se produit à partir de petits objets dans la mer ainsi qu'à partir du fond et de la surface. Cela peut être une source majeure d'interférences. Cette diffusion acoustique est analogue à la diffusion de la lumière des phares d'une voiture dans le brouillard: un faisceau crayon à haute intensité pénétrera dans le brouillard dans une certaine mesure, mais les phares à faisceau plus large émettent beaucoup de lumière dans des directions indésirables, dont une grande partie est dispersée. à l'observateur, écrasant celui réfléchi par la cible ("white-out"). Pour des raisons analogues, le sonar actif doit émettre dans un faisceau étroit pour minimiser la diffusion.

La dispersion du sonar à partir d'objets (mines, pipelines, zooplancton, caractéristiques géologiques, poissons, etc.) est la façon dont le sonar actif les détecte, mais cette capacité peut être masquée par une forte diffusion provenant de fausses cibles, ou «fouillis». Là où elles se produisent (sous les vagues déferlantes [37] lors du réveil des navires dans le gaz émis par les suintements et les fuites du fond marin [38], etc.), les bulles de gaz sont de puissantes sources de désordre et peuvent facilement cacher des cibles. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [39] [40] [41] est actuellement le seul sonar capable de surmonter ce problème d'encombrement.

Ceci est important car de nombreux conflits récents se sont produits dans les eaux côtières et l'incapacité de détecter si des mines sont présentes ou non présente des risques et des retards pour les navires militaires, ainsi que pour aider les convois et les navires marchands qui tentent de soutenir la région longtemps après le conflit. cessé. [39]

Caractéristiques de la cible

Le son réflexion les caractéristiques de la cible d'un sonar actif, tel qu'un sous-marin, sont appelées sa force de cible. Une complication est que les échos sont également obtenus à partir d'autres objets dans la mer tels que les baleines, les sillages, les bancs de poissons et les rochers.

Le sonar passif détecte la cible rayonné caractéristiques de bruit. Le spectre rayonné comprend un spectre continu de bruit avec des pics à certaines fréquences qui peuvent être utilisés pour la classification.

Contre-mesures

actif Des contre-mesures (motorisées) peuvent être lancées par un sous-marin attaqué pour augmenter le niveau de bruit, fournir une grande fausse cible et masquer la signature du sous-marin lui-même.

Passif (c.-à-d., les contre-mesures non motorisées) comprennent:

  • Montage de dispositifs générateurs de bruit sur des dispositifs d'isolement.
  • Revêtements insonorisants sur les coques de sous-marins, par exemple les tuiles anéchoïques.

La guerre navale moderne utilise largement les sonars passifs et actifs des navires, des aéronefs et des installations fixes. Bien que le sonar actif ait été utilisé par les engins de surface pendant la Seconde Guerre mondiale, les sous-marins ont évité l'utilisation de sonar actif en raison du potentiel de révéler leur présence et leur position aux forces ennemies. Cependant, l'avènement du traitement moderne du signal a permis l'utilisation du sonar passif comme principal moyen pour les opérations de recherche et de détection. En 1987, une division de la société japonaise Toshiba aurait [42] vendu des machines à l'Union soviétique qui permettaient de fraiser leurs pales d'hélices sous-marines pour qu'elles deviennent radicalement plus silencieuses, rendant la nouvelle génération de sous-marins plus difficile à détecter.

L'utilisation d'un sonar actif par un sous-marin pour déterminer le relèvement est extrêmement rare et ne donnera pas nécessairement des informations de haute qualité sur le relèvement ou la distance à l'équipe de contrôle de tir des sous-marins. Cependant, l'utilisation de sonars actifs sur les navires de surface est très courante et est utilisée par les sous-marins lorsque la situation tactique le commande, il est plus important de déterminer la position d'un sous-marin hostile que de dissimuler sa propre position. Avec les navires de surface, on peut supposer que la menace suit déjà le navire avec des données satellitaires, car tout navire autour du sonar émetteur détectera l'émission. Après avoir entendu le signal, il est facile d'identifier l'équipement sonar utilisé (généralement avec sa fréquence) et sa position (avec l'énergie de l'onde sonore). Le sonar actif est similaire au radar en ce que, s'il permet la détection de cibles à une certaine distance, il permet également à l'émetteur d'être détecté à une portée beaucoup plus grande, ce qui n'est pas souhaitable.

Le sonar actif révélant la présence et la position de l'opérateur, et ne permettant pas une classification exacte des cibles, il est utilisé par les rapides (avions, hélicoptères) et par les plates-formes bruyantes (la plupart des navires de surface) mais rarement par les sous-marins. Lorsqu'un sonar actif est utilisé par des navires de surface ou des sous-marins, il est généralement activé très brièvement à des périodes intermittentes pour minimiser le risque de détection. Par conséquent, le sonar actif est normalement considéré comme une sauvegarde du sonar passif. Dans les aéronefs, un sonar actif est utilisé sous la forme de bouées son jetables qui sont larguées dans la zone de patrouille de l'aéronef ou à proximité d'éventuels contacts de sonar ennemis.

Le sonar passif présente plusieurs avantages, le plus important étant qu'il est silencieux. Si le niveau de bruit rayonné de la cible est suffisamment élevé, il peut avoir une plus grande portée que le sonar actif, et permet d'identifier la cible. Comme tout objet motorisé fait du bruit, il peut en principe être détecté, en fonction du niveau de bruit émis et du niveau de bruit ambiant dans la zone, ainsi que de la technologie utilisée. Pour simplifier, un sonar passif "voit" autour du navire qui l'utilise. Sur un sous-marin, le sonar passif monté sur le nez détecte dans des directions d'environ 270 °, centrées sur l'alignement du navire, le réseau monté sur la coque d'environ 160 ° de chaque côté et le réseau remorqué sur 360 °. Les zones invisibles sont dues à la propre interférence du navire. Une fois qu'un signal est détecté dans une certaine direction (ce qui signifie que quelque chose émet un son dans cette direction, c'est ce qu'on appelle la détection à large bande), il est possible de zoomer et d'analyser le signal reçu (analyse à bande étroite). Cela se fait généralement en utilisant une transformée de Fourier pour montrer les différentes fréquences composant le son. Étant donné que chaque moteur émet un son spécifique, il est simple d'identifier l'objet. Les bases de données de sons de moteur uniques font partie de ce que l'on appelle intelligence acoustique ou ACINT.

Une autre utilisation du sonar passif consiste à déterminer la trajectoire de la cible. Ce processus est appelé analyse du mouvement de la cible (TMA), et la «solution» qui en résulte est la distance, le cap et la vitesse de la cible.La TMA est effectuée en marquant la direction d'où provient le son à différents moments et en comparant le mouvement avec celui du propre navire de l'opérateur. Les changements dans le mouvement relatif sont analysés à l'aide de techniques géométriques standard avec certaines hypothèses sur les cas limites.

Le sonar passif est furtif et très utile. Cependant, il nécessite des composants électroniques de haute technologie et est coûteux. Il est généralement déployé sur des navires coûteux sous la forme de réseaux pour améliorer la détection. Les navires de surface l'utilisent à bon escient, il est encore mieux utilisé par les sous-marins, et il est également utilisé par les avions et les hélicoptères, principalement pour un "effet de surprise", car les sous-marins peuvent se cacher sous des couches thermiques. Si le commandant d'un sous-marin croit qu'il est seul, il peut rapprocher son bateau de la surface et être plus facile à détecter, ou aller plus loin et plus vite, et ainsi faire plus de bruit.

Des exemples d'applications de sonar à usage militaire sont donnés ci-dessous. Bon nombre des utilisations civiles indiquées dans la section suivante peuvent également s'appliquer à l'utilisation navale.

Guerre anti-sous-marine

Jusqu'à récemment, les sonars de navire étaient généralement équipés de réseaux montés sur la coque, soit au milieu du navire, soit à la proue. Il a été rapidement découvert après leur utilisation initiale qu'un moyen de réduire le bruit d'écoulement était nécessaire. Les premiers ont été faits de toile sur un cadre, puis des acier ont été utilisés. Désormais, les dômes sont généralement en plastique renforcé ou en caoutchouc pressurisé. Ces sonars sont principalement actifs en fonctionnement. Le SQS-56 est un exemple de sonar monté sur coque classique.

En raison des problèmes de bruit des navires, des sonars remorqués sont également utilisés. Ceux-ci ont également l'avantage de pouvoir être placés plus profondément dans l'eau. Cependant, leur utilisation en eau peu profonde est limitée. On les appelle des réseaux remorqués (linéaires) ou des sonars à profondeur variable (VDS) avec des réseaux 2 / 3D. Un problème est que les treuils nécessaires pour déployer / récupérer ceux-ci sont volumineux et coûteux. Les ensembles VDS sont principalement actifs en fonctionnement tandis que les baies remorquées sont passives.

Le Sonar 2087 de Thales Underwater Systems est un exemple de sonar remorqué actif-passif moderne.

Torpilles

Les torpilles modernes sont généralement équipées d'un sonar actif / passif. Cela peut être utilisé pour rentrer directement sur la cible, mais des torpilles de réveil sont également utilisées. Un des premiers exemples d'un circuit acoustique était la torpille Mark 37.

Les contre-mesures contre les torpilles peuvent être remorquées ou gratuites. Un des premiers exemples était l'allemand Sieglinde appareil tandis que le Audacieux était un appareil chimique. Un appareil américain largement utilisé était le Nixie AN / SLQ-25 remorqué, tandis que le simulateur de sous-marin mobile (MOSS) était un appareil gratuit. Une alternative moderne au système Nixie est le système de défense contre les torpilles des navires de surface S2170 de la Royal Navy britannique.

Les mines

Les mines peuvent être équipées d'un sonar pour détecter, localiser et reconnaître la cible requise. Un exemple est la mine CAPTOR.

Contre-mesures contre les mines

Le sonar de contre-mesures contre les mines (MCM), parfois appelé «sonar d'évitement de mines et d'obstacles (MOAS)», est un type spécialisé de sonar utilisé pour détecter de petits objets. La plupart des sonars MCM sont montés sur la coque, mais quelques types sont de conception VDS. Le type 2193 est un exemple de sonar MCM monté sur coque, tandis que le sonar de chasse aux mines SQQ-32 et les systèmes de type 2093 sont des modèles VDS.

Navigation sous-marine

Les sous-marins dépendent davantage du sonar que les navires de surface car ils ne peuvent pas utiliser de radar en profondeur. Les réseaux de sonars peuvent être montés sur la coque ou remorqués. Les informations ajustées sur les ajustements typiques sont données dans Oyashio-sous-marin de classe et Swiftsure-classe sous-marin.

Avion

Les hélicoptères peuvent être utilisés pour la guerre anti-sous-marine en déployant des champs de bouées son actives-passives ou peuvent utiliser un sonar plongeant, tel que l'AQS-13. Les aéronefs à voilure fixe peuvent également déployer des bouées son et avoir une plus grande endurance et une plus grande capacité à les déployer. Le traitement à partir des bouées son ou du sonar plongeant peut être effectué à bord de l'avion ou du navire. Le sonar plongeant a l'avantage d'être déployable à des profondeurs adaptées aux conditions quotidiennes. Des hélicoptères ont également été utilisés pour des missions de contre-mesures contre les mines à l'aide de sonars remorqués tels que l'AQS-20A.

Communications sous-marines

Des sonars dédiés peuvent être installés sur les navires et sous-marins pour la communication sous-marine.

Surveillance des océans

Les États-Unis ont lancé un système de systèmes de surveillance des océans passifs et fixes en 1950 sous le nom classifié Sound Surveillance System (SOSUS) avec American Telephone and Telegraph Company (AT&T), avec ses laboratoires de recherche Bell et ses entités de fabrication Western Electric sous contrat pour le développement et installation. Les systèmes exploitaient le canal de son profond (SOFAR) et étaient basés sur un spectrographe sonore AT&T, qui convertissait le son en un spectrogramme visuel représentant une analyse temps-fréquence du son qui a été développée pour l'analyse de la parole et modifiée pour analyser les sons sous-marins à basse fréquence. Ce processus était l'analyse et l'enregistrement basse fréquence et l'équipement a été appelé analyseur et enregistreur basse fréquence, tous deux avec l'acronyme LOFAR. La recherche LOFAR a été appelée Jézabel et conduit à une utilisation dans les systèmes aériens et de surface, en particulier les sondes utilisant le procédé et utilisant parfois "Jezebel" dans leur nom. [43] [44] [45] Le système proposé a offert une telle promesse de détection sous-marine à longue portée que la Marine a ordonné des mouvements immédiats pour la mise en œuvre. [44] [46]

Entre l'installation d'un réseau de test suivi d'un prototype de réseau opérationnel de quarante éléments à grande échelle en 1951 et 1958, des systèmes ont été installés dans l'Atlantique puis dans le Pacifique sous le nom non classé. Projet César. Les systèmes originaux ont été terminés à des stations côtières classifiées désignées Naval Facility (NAVFAC) expliquées comme s'engageant dans la «recherche océanique» pour couvrir leur mission classifiée. Le système a été mis à niveau à plusieurs reprises avec un câble plus avancé permettant aux réseaux d'être installés dans les bassins océaniques et d'un traitement amélioré. Les stations côtières ont été éliminées dans un processus de consolidation et de réacheminement des baies vers les centres de traitement centraux dans les années 1990. En 1985, avec la mise en service de nouvelles baies mobiles et d'autres systèmes, le nom du système collectif a été changé en Système intégré de surveillance sous-marine (IUSS). En 1991, la mission du système a été déclassifiée. L'année précédente, les insignes de l'IUSS ont été autorisés à porter. L'accès a été accordé à certains systèmes de recherche scientifique. [43] [44]

Un système similaire aurait été mis en place par l'Union soviétique.

Sécurité sous-marine

Le sonar peut être utilisé pour détecter les hommes-grenouilles et autres plongeurs. Cela peut être applicable autour des navires ou aux entrées des ports. Le sonar actif peut également être utilisé comme mécanisme de dissuasion et / ou de désactivation. Un de ces dispositifs est le système Cerberus.

Sonar portatif

Le sonar d'imagerie de mine de patelle (LIMIS) est un sonar d'imagerie portatif ou monté sur ROV conçu pour les plongeurs de patrouille (hommes-grenouilles de combat ou plongeurs de déminage) pour rechercher des mines de patelle dans des eaux de faible visibilité.

Le LUIS est un autre sonar d'imagerie destiné aux plongeurs.

Le système de sonar de navigation intégré (INSS) est un petit sonar portable en forme de lampe de poche pour les plongeurs qui affiche la portée. [47] [48]

Intercepter le sonar

Il s'agit d'un sonar conçu pour détecter et localiser les transmissions des sonars actifs hostiles. Un exemple de ceci est le Type 2082 monté sur le British Avant-garde-les sous-marins de classe.

Pêche

La pêche est une industrie importante qui connaît une demande croissante, mais le tonnage mondial des captures diminue en raison de graves problèmes de ressources. L'industrie est confrontée à un avenir de consolidation mondiale continue jusqu'à ce qu'un point de durabilité puisse être atteint. Cependant, la consolidation des flottes de pêche entraîne une demande accrue d'électronique sophistiquée de détection des poissons, comme des capteurs, des sondeurs et des sonars. Historiquement, les pêcheurs ont utilisé de nombreuses techniques différentes pour trouver et récolter du poisson. Cependant, la technologie acoustique a été l'une des forces motrices les plus importantes du développement des pêcheries commerciales modernes.

Les ondes sonores voyagent différemment à travers les poissons et dans l'eau, car la vessie natatoire remplie d'air d'un poisson a une densité différente de celle de l'eau de mer. Cette différence de densité permet la détection des bancs de poissons en utilisant le son réfléchi. La technologie acoustique est particulièrement bien adaptée aux applications sous-marines car le son se propage plus loin et plus rapidement sous l'eau que dans l'air. Aujourd'hui, les navires de pêche commerciale dépendent presque entièrement des sonars et sondeurs acoustiques pour détecter les poissons. Les pêcheurs utilisent également la technologie des sonars actifs et des échosondeurs pour déterminer la profondeur de l'eau, le contour du fond et la composition du fond.

Des entreprises comme eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp et Simrad fabriquent une variété d'instruments sonars et acoustiques pour l'industrie de la pêche commerciale en haute mer. Par exemple, les capteurs de filet prennent diverses mesures sous-marines et transmettent les informations à un récepteur à bord d'un navire. Chaque capteur est équipé d'un ou plusieurs transducteurs acoustiques en fonction de sa fonction spécifique. Les données sont transmises par les capteurs à l'aide de la télémétrie acoustique sans fil et sont reçues par un hydrophone monté sur la coque. Les signaux analogiques sont décodés et convertis par un récepteur acoustique numérique en données qui sont transmises à un ordinateur de pont pour un affichage graphique sur un moniteur haute résolution.

Écho retentissant

Le sondage par écho est un processus utilisé pour déterminer la profondeur de l'eau sous les navires et les bateaux. Type de sonar actif, le sondage en écho est la transmission d'une impulsion acoustique directement vers le bas vers le fond marin, mesurant le temps entre la transmission et le retour de l'écho, après avoir touché le fond et rebondi sur son navire d'origine. L'impulsion acoustique est émise par un transducteur qui reçoit également l'écho de retour. La mesure de la profondeur est calculée en multipliant la vitesse du son dans l'eau (en moyenne 1 500 mètres par seconde) par le temps entre l'émission et le retour d'écho. [49] [50]

La valeur de l'acoustique sous-marine pour l'industrie de la pêche a conduit au développement d'autres instruments acoustiques qui fonctionnent de la même manière que les échosondeurs mais, parce que leur fonction est légèrement différente du modèle initial de l'écho-sondeur, ont été donnés différemment. termes.

Emplacement net

Le sondeur de filet est un sondeur d'écho avec un transducteur monté sur le titre du filet plutôt que sur le fond du navire. Néanmoins, pour tenir compte de la distance entre le transducteur et l'unité d'affichage, qui est beaucoup plus grande que dans un échosondeur normal, plusieurs améliorations doivent être apportées. Deux types principaux sont disponibles. Le premier est le type de câble dans lequel les signaux sont envoyés le long d'un câble. Dans ce cas, il faut prévoir un enrouleur de câble sur lequel tirer, tirer et ranger le câble pendant les différentes phases de l'opération. Le deuxième type est le sondeur de filet sans câble - tel que Marport's Trawl Explorer - dans lequel les signaux sont envoyés acoustiquement entre le filet et le récepteur-hydrophone monté sur la coque du navire. Dans ce cas, aucun enrouleur de câble n'est nécessaire, mais une électronique sophistiquée est nécessaire au niveau du transducteur et du récepteur.

L'affichage sur un sondeur de filet indique la distance entre le filet et le fond (ou la surface), plutôt que la profondeur de l'eau comme avec le transducteur monté sur la coque de l'écho-sondeur. Fixé au titre du filet, la corde de pied peut généralement être vue, ce qui donne une indication de la performance du filet. Tout poisson passant dans le filet peut également être vu, ce qui permet de faire des ajustements fins pour attraper le plus de poissons possible. Dans d'autres pêcheries, où la quantité de poisson dans le filet est importante, des capteurs de capture sont montés à différentes positions sur l'extrémité du cul du filet. Au fur et à mesure que l'extrémité du cul se remplit, ces capteurs de capture sont déclenchés un par un et cette information est transmise acoustiquement aux écrans d'affichage sur le pont du navire. Le skipper peut alors décider quand tirer le filet.

Les versions modernes du sondeur de réseau, utilisant des transducteurs à éléments multiples, fonctionnent plus comme un sonar qu'un échosondeur et montrent des tranches de la zone devant le filet et pas simplement la vue verticale utilisée par les sondeurs de filet initiaux.

Le sonar est un écho-sondeur avec une capacité directionnelle qui peut montrer des poissons ou d'autres objets autour du navire.

ROV et UUV

De petits sonars ont été installés sur des véhicules télécommandés (ROV) et des véhicules sous-marins sans pilote (UUV) pour permettre leur fonctionnement dans des conditions troubles. Ces sonars sont utilisés pour regarder devant le véhicule. Le système de reconnaissance minière à long terme est un UUV à des fins de MCM.

Emplacement du véhicule

Des sonars qui agissent comme des balises sont installés sur les aéronefs pour permettre leur localisation en cas de crash en mer. Des sonars de ligne de base courts et longs peuvent être utilisés pour déterminer l'emplacement, comme le LBL.

Prothèse pour malvoyants

En 2013, un inventeur aux États-Unis a dévoilé un body «spider-sense», équipé de capteurs à ultrasons et de systèmes de retour haptique, qui alerte le porteur des menaces entrantes lui permettant de répondre aux attaquants même les yeux bandés. [51]

Estimation de la biomasse

Détection des poissons et autres espèces marines et aquatiques, et estimation de leur taille individuelle ou de leur biomasse totale à l'aide de techniques de sonar actif. Lorsque l'impulsion sonore se déplace dans l'eau, elle rencontre des objets de densité ou de caractéristiques acoustiques différentes de celles du milieu environnant, comme les poissons, qui réfléchissent le son vers la source sonore. Ces échos fournissent des informations sur la taille, l'emplacement, l'abondance et le comportement des poissons. Les données sont généralement traitées et analysées à l'aide de divers logiciels tels que Echoview.

Mesure des vagues

Un échosondeur orienté vers le haut monté sur le fond ou sur une plate-forme peut être utilisé pour effectuer des mesures de la hauteur et de la période des vagues. De ces statistiques des conditions de surface à un emplacement peuvent être dérivées.

Mesure de la vitesse de l'eau

Des sonars spéciaux à courte portée ont été développés pour permettre des mesures de la vitesse de l'eau.

Évaluation du type de fond

Des sonars ont été développés qui peuvent être utilisés pour caractériser le fond de la mer, par exemple en boue, sable et gravier. Des sonars relativement simples tels que les échosondeurs peuvent être transformés en systèmes de classification des fonds marins via des modules complémentaires, convertissant les paramètres d'écho en types de sédiments. Différents algorithmes existent, mais ils sont tous basés sur des changements dans l'énergie ou la forme des pings réfléchis du sondeur. Une analyse avancée de la classification des substrats peut être réalisée en utilisant des échosondeurs calibrés (scientifiques) et une analyse paramétrique ou logique floue des données acoustiques.

Cartographie bathymétrique

Les sonars à balayage latéral peuvent être utilisés pour obtenir des cartes de la topographie des fonds marins (bathymétrie) en déplaçant le sonar juste au-dessus du fond. Des sonars à basse fréquence tels que GLORIA ont été utilisés pour des levés à l'échelle du plateau continental tandis que des sonars à haute fréquence sont utilisés pour des levés plus détaillés de zones plus petites.

Profilage sous-bas

De puissants échosondeurs basse fréquence ont été développés pour fournir des profils des couches supérieures du fond océanique.

Détection des fuites de gaz du fond marin

Des bulles de gaz peuvent s'échapper du fond marin, ou à proximité de celui-ci, à partir de plusieurs sources. Ceux-ci peuvent être détectés à la fois par un sonar passif [52] et un sonar actif [38] (représenté sur la figure schématique [52] par des systèmes jaune et rouge respectivement).

Des suintements naturels de méthane et de dioxyde de carbone se produisent. [38] Les gazoducs peuvent fuir, et il est important de pouvoir détecter si des fuites se produisent à partir des installations de captage et de stockage du carbone (CCSF, par exemple les puits de pétrole épuisés dans lesquels le carbone atmosphérique extrait est stocké). [53] [54] [55] [56] La quantification de la quantité de gaz qui fuit est difficile, et bien que les estimations puissent être faites en utilisant des sonars actifs et passifs, il est important de remettre en question leur exactitude en raison des hypothèses inhérentes à ces estimations. à partir des données du sondeur. [52] [57]

Ouvertures de sondeur synthétiques

Divers sonars à ouverture synthétique ont été construits en laboratoire et certains ont été utilisés dans les systèmes de recherche et de chasse aux mines. Une explication de leur fonctionnement est donnée dans un sonar à ouverture synthétique.

Sonar paramétrique

Les sources paramétriques utilisent la non-linéarité de l'eau pour générer la différence de fréquence entre deux hautes fréquences. Une matrice virtuelle de tir final est formée. Un tel projecteur présente les avantages d'une large bande passante, d'une largeur de faisceau étroite et, lorsqu'il est entièrement développé et soigneusement mesuré, il n'a pas de lobes latéraux évidents: voir Tableau paramétrique. Son principal inconvénient est une très faible efficacité de quelques pour cent seulement. [58] P.J. Westervelt résume les tendances impliquées. [59]

Sonar dans des contextes extraterrestres

L'utilisation de sonars à la fois passifs et actifs a été proposée pour diverses utilisations extraterrestres. [60] Un exemple de l'utilisation du sonar actif est dans la détermination de la profondeur des mers d'hydrocarbures sur Titan, [61] Un exemple de l'utilisation du sonar passif est dans la détection des chutes de méthane sur Titan, [62]

Il a été noté que les propositions qui suggèrent l'utilisation du sonar sans tenir dûment compte de la différence entre les environnements terrestres (atmosphère, océan, minéraux) et extraterrestres, peuvent conduire à des valeurs erronées [63] [64] [65 ] [66] [67] [68]

Effet sur les mammifères marins

Des recherches ont montré que l'utilisation d'un sonar actif peut entraîner des échouages ​​massifs de mammifères marins. [69] Les baleines à bec, la victime la plus commune des échouages, se sont révélées très sensibles aux sonars actifs à moyenne fréquence. [70] D'autres mammifères marins tels que la baleine bleue fuient également loin de la source du sonar, [71] tandis que l'activité navale a été suggérée pour être la cause la plus probable d'un échouage massif de dauphins. [72] La marine américaine, qui a financé en partie certaines des études, a déclaré que les résultats ne montraient que des réponses comportementales au sonar, pas des dommages réels, mais qu'ils "évalueront l'efficacité de [leurs] mesures de protection des mammifères marins à la lumière de nouvelles résultats de recherche ". [69] Une décision de la Cour suprême des États-Unis en 2008 sur l'utilisation du sonar par la marine américaine a noté qu'il n'y avait eu aucun cas où le sonar avait été démontré de manière concluante pour avoir blessé ou tué un mammifère marin. [73]

Certains animaux marins, comme les baleines et les dauphins, utilisent des systèmes d'écholocation, parfois appelés biosonar pour localiser les prédateurs et les proies. La recherche sur les effets du sonar sur les rorquals bleus dans le sud de la California Bight montre que l'utilisation du sonar à moyenne fréquence perturbe le comportement alimentaire des baleines. Cela indique que la perturbation de l'alimentation provoquée par le sonar et le déplacement des zones de proies de haute qualité pourraient avoir des impacts importants et auparavant non documentés sur l'écologie de l'alimentation des baleines à fanons, la condition physique individuelle et la santé de la population. [74]

Un examen des preuves sur les échouages ​​massifs de baleines à bec liés aux exercices navals où un sonar a été utilisé a été publié en 2019. Il a conclu que les effets du sonar actif à moyenne fréquence sont les plus forts sur les baleines à bec de Cuvier, mais varient selon les individus ou les populations. La revue a suggéré que la force de la réponse des animaux individuels peut dépendre du fait qu'ils aient été préalablement exposés au sonar, et que des symptômes d'accident de décompression ont été détectés chez des baleines échouées qui peuvent être le résultat d'une telle réponse au sonar.Il a noté que dans les îles Canaries où de multiples échouages ​​avaient déjà été signalés, il n'y avait plus eu d'échouages ​​massifs une fois que les exercices navals au cours desquels des sonars étaient utilisés avaient été interdits dans la zone, et a recommandé que l'interdiction soit étendue à d'autres zones où les échouages ​​massifs continuent de se produire. se produire. [75] [76]

Effet sur les poissons

Les sons de sonar à haute intensité peuvent créer un léger décalage temporaire du seuil d'audition de certains poissons. [77] [78] [a]

Les fréquences des sonars vont des infrasonores au-dessus du mégahertz. En général, les fréquences inférieures ont une portée plus longue, tandis que les fréquences plus élevées offrent une meilleure résolution et une taille plus petite pour une directivité donnée.

Pour obtenir une directivité raisonnable, les fréquences inférieures à 1 kHz nécessitent généralement une grande taille, généralement obtenue sous forme de réseaux remorqués. [79]

Les sonars basse fréquence sont définis de manière approximative comme 1–5 kHz, bien que certaines marines considèrent 5–7 kHz également comme basse fréquence. La fréquence moyenne est définie comme 5–15 kHz. Un autre style de division considère la basse fréquence comme étant inférieure à 1 kHz et la fréquence moyenne entre 1 et 10 kHz. [79]

Les sonars américains de l'époque de la Seconde Guerre mondiale fonctionnaient à une fréquence relativement élevée de 20 à 30 kHz, pour obtenir une directivité avec des transducteurs raisonnablement petits, avec une portée opérationnelle maximale typique de 2500 yd. Les sonars d'après-guerre utilisaient des fréquences plus basses pour atteindre une portée plus longue, par ex. Le SQS-4 fonctionnait à 10 kHz avec une portée allant jusqu'à 5000 yd. SQS-26 et SQS-53 fonctionnaient à 3 kHz avec une portée allant jusqu'à 20000 yd, leurs dômes avaient une taille d'env. un bateau pour le personnel de 60 pieds, une taille limite supérieure pour les sonars à coque conventionnels. L'obtention de plus grandes tailles par un réseau de sonars conforme réparti sur la coque n'a pas été efficace jusqu'à présent, pour les fréquences inférieures, des réseaux linéaires ou remorqués sont donc utilisés. [79]

Les sonars japonais de la Seconde Guerre mondiale fonctionnaient à une gamme de fréquences. Le Type 91, avec un projecteur à quartz de 30 pouces, fonctionnait à 9 kHz. Le Type 93, avec des projecteurs à quartz plus petits, fonctionnait à 17,5 kHz (modèle 5 à 16 ou 19 kHz magnétostrictif) à des puissances comprises entre 1,7 et 2,5 kilowatts, avec une portée allant jusqu'à 6 km. Le dernier Type 3, avec des transducteurs magnétostrictifs de conception allemande, fonctionnait à 13, 14,5, 16 ou 20 kHz (selon le modèle), en utilisant des transducteurs jumeaux (sauf le modèle 1 qui en avait trois simples), de 0,2 à 2,5 kilowatts. Le type simple utilisait des transducteurs magnétostrictifs de 14,5 kHz à 0,25 kW, entraînés par une décharge capacitive au lieu d'oscillateurs, avec une portée allant jusqu'à 2,5 km. [21]

La résolution du sonar est que les objets angulaires les plus éloignés sont imagés avec des résolutions plus faibles que celles proches.

Une autre source répertorie les plages et les résolutions par rapport aux fréquences des sonars à balayage latéral. 30 kHz offre une faible résolution avec une plage de 1 000–6 000 m, 100 kHz une résolution moyenne de 500–1 000 m, 300 kHz une haute résolution de 150–500 m et 600 kHz une haute résolution de 75–150 m. Les sonars à plus longue portée sont plus affectés par les non-homogénéités de l'eau. Certains environnements, généralement des eaux peu profondes près des côtes, ont un terrain compliqué avec de nombreuses caractéristiques, des fréquences plus élevées y deviennent nécessaires. [80]


Vidéo: Sonar Sounds