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Systèmes sonarPrincipes, fonctionnalités & performances
Xavier Lurton, Yves Le Gall, Laurent Berger
Service Acoustique Sous-marine
IMN/NSE/AS
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Sommaire
Systèmes sonar – généralités (XL)
Cartographie des fonds (XL)
Bathymétrie & réflectivité
Sondeurs multifaisceaux, sonars latéraux
Imagerie & réflectivité de la colonne d’eau (LB)
Sondeurs halieutiques et cartos, ADCP
Imagerie & mesure du sous-sol (YLG)
Sondeurs de sédiments
Systèmes sonar de la FOF (YLG)
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Sonar actif : géométrie & intensité
Source Propa Cible Propa Récepteur
A partir du même signal, deux utilisations….
Retard de l’écho Distance & Angle
Localisation de cible
Bathymétrie, cartographie
Mesure Temps-Phase
Géométrie
Traitement Signal
Mesure Amplitude
Physique
Etalonnage
Intensité écho Indice de cible
Nature & structure cible
Caracterisation fond
Quantité et classif. biomasse
T
I (t)
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Directivité transducteurs
• En émission:
• Augmentation du niveau (à puissance électrique donnée)
• Sélectivité spatiale de l’insonification
• En réception:
• Diminution du bruit ambiant (filtrage spatial)
• Séparation des cibles (résolution)
En émission ou réception
L l Omnidirectionnel
L
lL >> l Directivité
• Lobe principal
• Lobes secondaires
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Précision de mesure: géométrie
Géométrie sondage = mesure distance & angle (R, q)
• Mesure retard écho t R = c.t/2
• Précision de mesure de temps
• Maîtrise de la célérité c
• Mesure d’angle q
• Traitement d’antenne
• Réfraction par profil de célérité
• Compensations mouvements
q Rz
y
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Précision de mesure: réflectivité
GRNE
SH
DEDR
A/D
(BS)
PT PT
NR
Réflectivité = mesure indice de cible IC
NR = NE – 2PT + IC avec IC = BS + 10logA
• BS = intrinsèque ; A = étendue cible
• Mesure de niveau reçu absolu
• Maîtrise des sensibilités Emission/Réception
• Contrôle géométrie & pertes de transmission
(A)IC
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Résolution
Capacité du sondeur à séparer des cibles distinctes
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En général, résolution sondeurs inhomogène:
• Radiale constante dz = c.T/2
• Transversale variable / distance dx = q.z
q
z
x
cT/2
En distance…
q
z
x
… et en angle
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Portée - Couverture
• Limitation de la zone couverte par…
Xmax
Ouverture angulaire qmaxqmax
Portée maximale Rmax en :
• Détection (Signal/bruit)
• Précision (Signal/bruit)
• Résolution (Ouverture faisceaux,
durée signal)
Rmax
Réfraction / profil célérité c(z)
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Océano Physique
• Courantométrie
Industrie offshore
• Prospection
• Dragage
• Monitoring de sites
Sondage : Applications
Navigation
• Bathymétrie locale
• Loch Doppler
• Evitement d’obstacles
Halieutique & biologie
• Estimation quantitative biomasse
• Classification d’espèces
Géosciences
• Topographie, morphologie
• Classification fonds
• Dégagements gaz & fluides
• Sondage sédiments
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Environnement
• Monitoring Fonds
• Surveillance impact
• Détection pollution
Pêche
• Prospection
• Contrôle captures
Hydrographie
• Cartographie marine
• Surveillance voies navigables
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Cartographie des Fonds
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Sonar latéral: principe
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Sonar latéral: principe
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Sondeur multifaisceau
• Double fonctionnalité: bathymétrie & réflectivité
• Mesures individuelles / nombreux faisceaux étroits (0.5° à 2°)
• Plusieurs centaines de sondes simultanées
Mesures de la réflectivitéMesures de la hauteur d'eau
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Pourquoi pas? Thalia
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Exemples de résultats
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Mesure bathymétrique
Pour chaque faisceau n
Mesure (temps, angle)
xn = c tn/2 sinqn
zn = c tn/2 cosqn
Profil du fond{ xn, zn } Bathy
célérimétrie
Correction mouvements
angle q
temps t
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Formation de voies
L
l
d
q
t
ql
t sin
2d
tji
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Capteurs annexes• Centrale d’attitude
• Roulis, tangage, pilonnement, lacet...
• Accéléromètres + Gyroscopes F.O.
• Positionnement
• GPS
• DGPS, RTK
• Célérité / antenne
• Thermosalinomètre
• Célérimètre
• Profil de célérité
• Sondes perdables (XBT)
• Profileurs
• Marée
• Marégraphe
• Modélisation 17
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Précision bathymétrique
t q
Sondes rel./sonar
x, yh
Sondes géoréférencées (x,y,z)
RSB
acoustique
Config.
mesure
Bulles
Célérité
antenne
Profil
Célérité
Marée
Navigation
Centrale
attitude
Config.
Installation
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Etat de l’art (2015) :
dH/H 1 à 2 o/oo
© Hervé Bisquay (Genavir)
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Contrôlée par l’ouverture des faisceaux
Résolution
Pas de grille:
125 100 50 m
Ouverture faisceaux
2.5° 1° 0.5°
© Hervé Bisquay (Genavir)
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Dimensionnement des SMF
Performances typiques aujourd’hui:
Ouverture totale : 120° à 140° (150°)
Nombre de faisceaux : 120 à 200 (800)
Ouverture faisceaux : 1° à 2° (0.5°)
Précision de mesure bathymétrique : 0,1% à 0,5%
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Fréquence Utilisation Profondeur Fauchée km²/jour Résol. Hor. Navires
12 kHz Grands
fonds
4000 m
12 000 m
20 km 10 000 100 m Hauturiers
30 kHz Talus,
pente
1000 m
3 000 m
10 km 5 000 50 m Hauturiers
100 kHz Plateau 100 m
500 m
1 km 1 000 10 m Côtiers
200 à 500
kHz
Petits
fonds
20 m
100 m
100 m 200 1 m Côtiers,
engins
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Investigation de la
colonne d’eau
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Champs d’application hauturier
Cartographie habitats pélagiques :
• Abondance poissons/planctons
• Structuration spatiale des espèces en lien avec
l’environnement
• Comportement agrégatifs, mesure de réaction au navire
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Abondance anchois
Caractérisation couches
Doray 2013
Rémond 2014
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Champs d’application hauturier
Cartographie fluides de fond de mer• Positionnement sorties
• Estimation débit sources
Océanographie physique• Mesure doppler en routine
• Imagerie par sondeur
23Lazure et al 2009
Microstructure océanique
Superposition mesure courant ADCP et sondeur EK60
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Monitoring côtier• Cartographie végétation
• Observation sédiment en suspension
• Transports sédimentaires
• Impact activités anthropiques
Champs d’application côtier
24Simons et al 2010
Cordier 2015
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Caractérisation des cibles
Signature spatiale• Sondeur multifaisceau
• Echelles individu/banc/
communauté
Signature spectrale• Sondeur multifréquence
• Propriétés physiques des cibles
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De l’écho à l’abondance
Etalonnage en réflectivité• Usine, labo, à quai, en mer
• Cibles étalons dans la colonne d’eau
• Zones de référence sur le fond
mesure absolue de réflectivité
Réponse de cibles• Mesure index de cibles individuelles
• Modèle acoustique de cibles
• Modèle de propagation
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Compromis des capteurs
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Sonar Portée
Résolution
Fauchée
Signal
Intégration Etalonnage
Monofaisceau Portée dépend de la
fréquence
Faible résolution
Faible couverture
Grande dynamique signal
Facile, navires,
engins, observatoires
Multifaisceau
halieutique ME70
Portée plateau
Bonne résolution
Bonne couverture
Grande dynamique signal
Navire uniquement
Multifaisceau
cartographie
Portée dépend de la
fréquence
Très bonne résolution
Très bonne couverture
Dynamique signal limitée
Navires et engins
hautes fréquences
Navires uniquement
basses fréquences
Difficile.
Zone de
référence.
Intercalibration
monofaisceau.
Sonar
omnidirectionnel
Portée dépend de la
fréquence
Faible résolution
Bonne couverture
Dynamique signal limitée
Navires Difficile.
Sur bille dans
l’avenir.
ADCP Portée dépend de la
fréquence
Faible résolution
Faible couverture
Bonne dynamique signal
Facile, navires,
engins, observatoires
Difficile.
Intercalibration
monofaisceau.
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Compromis des capteurs
Impact des lobes secondaires
28
Kongsberg EM302 ME70 mode bathymétriqueLobes
secondaires
du fond
Lobes
secondaires
lest
Bille
étalonnage
et lest
ME70 mode halieutique ME70 mode halieutique
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Perspectives capteurs
Sondeur large bande EK80• Spectre continu en fréquence
• Transducteurs monofaisceaux
composites existants
• Sondeurs étalonnés dans la
bande [60-250] kHz
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Simrad 2014
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Sondeurs de sédiments
30
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31
Principes de fonctionnement
Exploitation des échos
réfléchis (spéculaire)
→ Gain de traitement : 10*Log(B.T)
B = Bande passante
T = durée d’émission
→ Résolution verticale = c/2.B
• Basses fréquences : quelques kHz
Pénétration
• Mode FM : émission de chirps
• Traitement cohérent : corrélation des
signaux reçus avec le signal émis
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32
Architecture du sondeur
PC acquisition - SUBOP
Cartes d’acquisition
Émission / Réception
Sortie
analogique
Amplificateur de puissance
Adaptation d’impédance
+ Aiguillage
Transducteur ou Antenne
Préamplificateur
Entrée
analogique
Navigation
+ Bathymétrie
Attitude
Traceur réseau
PC scientifique
Local sondeur
Coque, Carénage,
Gondole, Poisson.
Synchro
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33
Les différents types de SdS
Navires
Hauturiers
Navires
Côtiers
Grands-fonds
/ AUV
Emission 7 transducteurs 1 transducteur 1 transducteur
Réception Même antenne Dépend de H 1 antenne
Bande
passante[1.8, 5.3 kHz] [1.7, 6 kHz] [1.8, 6.2 kHz]
Pénétration
maximale100 m 50 m 70 m
Résolution
verticale30 cm 25 cm 25 cm
Particularités2 fois plus BF que les
sondeurs classiques
- Version coque
- Version remorquée
- Qualifié 3000 m
- Electronique et PC
containerisés
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34
Les SdS des navires hauturiers
Carénage du sondeur
Le Suroît
Antenne Tx/Rx F ~1m
Pourquoi pas?
Antenne Tx/Rx F ~1m
Gondole L ~12m
Fenêtre acoustique
L’Atalante
Antenne Tx/Rx 1.4 x 0.7m
Fenêtre acoustique
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35
Les SdS des navires hauturiers
Pénétration : ~120m
Pénétration ~25m
Hauteur d’eau de 4800 m
Pénétration : ~60m
Hauteur d’eau de 4400 m
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36
Les SdS côtiers - Version coque
PC SUBOP
PréampliAntenne Rx - 4 hydrophones
(longueur ~800mm)
Transducteur Tx (300)
Fenêtre acoustique
RxTx RxTx
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37
Les SdS côtiers remorqués
• Même transducteur en émission/réception
• Navigation du poisson en subsurface (< 1 m) à 30m du navire
• Système opérationnel mi-2015
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Transducteur TXAntenne
RX
Sonar d’évitement
d’obstacles
Modem acoustique
Container électronique
38
Les SdS grands-fonds - AUV
Vertical resolution : ~23 cm
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Systèmes sonar de la
Flotte Océanographique
Française
39
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40
Systèmes sonar hauturiers
Sondeurs F (kHz) PP ATA THA SU EUR MD
Multifaisceaux
Grands-fonds
12
24
30
Multifaisceaux
Plateau/petits-fonds
70-100
70-120
200-300-400
Monofaisceaux
12
18
38
70
120
200
333
ADCP
38
75
150
Sédiments 1.8 - 5.3
2.5 - 7