Introduction :

   Le principe du sonar latéral a été développé pendant la deuxième guerre mondiale par les ingénieurs anglais de l’ASDIC (Anti Submarine Detection Investigation Comitee).  Initialement conçu pour détecter des objets sur le fond (mines, épaves, structures), leur utilisation s’est généralisée depuis la fin des années 60 à des applications de géophysiques marine et de dynamique sédimentaire.

   

I. Principe:

 

     Un sonar latéral a pour but de constituer des images acoustique en continue et en niveau de gris   détaillées du relief des fonds marins. Il insonifie à différentes fréquences et perpendiculairement à la route du navire, une bande constante de 50 à 1000 mètres de largeur en fonction de la profondeur.

 

      Pour cela, un faisceau sonore étroit est émis avec une incidence rasante. Ce faisceau intercepte le fond selon une fine bande s'évasant avec la distance. Les rayons acoustiques parallèles et obliques émis  proviennent de deux transducteurs placés de part et d’autre d’un corps fuselé remorqué appelé poisson.

 

 

Figure 1 : Poisson sonar latéral tracté en position de balayage au dessus du fond

 

 

     C’est en effet, l’envoi d’impulsions électriques vers les transducteurs qui va engendrer l’émission d’ondes acoustiques de courtes durées (0,1 ms) et de hautes fréquences.

Ainsi, une zone insonifiée de très faible dimension est délimitée par le signal émis. Cependant, à sa verticale, le sonar ne reçoit pas d’information du fond. De 10 à 20ْ à l’aplomb du sonar, un angle aveugle est donc considéré. Pour cette raison, une zone non insonifiée s’étend au milieu de la surface insonifiée.

 

 

Figure 2 : Représentation, au centre, de la zone non insonifiée

 

Egalement, selon la nature du fond, le signal émis sera réfléchi vers la surface. Les échos sont alors réceptionnés par les transducteurs et transmis au navire grâce à un câble élèctroporteur. De cette façon, le signal acoustique réfléchi est restitué à bord du navire sur des bandes papiers, sonogrammes ou sur écran (par le biais du système de numérisation DELPH2) .  Ils représentent la réflectivité du fond le long de la fauchée, et mettent en évidence la présence d'irrégularité ou de petits obstacles traduit par le signal très résolvant. Ce signal, enregistré latéralement à la direction d'avancée du sonar (side-scan sonar) est juxtaposé aux signaux successifs déjà obtenus par le sonar pendant son avancée, constituant ainsi, ligne après ligne, une véritable image acoustique du fond.

 

Cependant, le sonar à balayage latéral n’a  pas de pouvoir de pénétration, une bonne reconnaissance des structures rocheuses et sédimentaire est  effectué mais il ne permet pas une identification précise de la nature des sédiments.

                   

II. Matériel:

 

     Un équipement de sonar latéral est constitué par :

 

 

 

 

                                    Figure 3: Exemple d'un cable électroporteur

 


 

 

 

 

                         

                                                 Figure 4: Le sonar latéral

 

Le système se compose donc d'un poisson remorqué pres du fond, de forme fuselée relié par un cable electroporteur à un système de visualisation graphique en temps réel et à un système d'archivage numérique situé à bord du navire.

 

III. Capacité :

    Le sonar latéral a une capacité de représentation de large étendue :

 

 

Fréquence et portée :

 

     La portée dépend de : - la fréquence

   - la puissance d’émission

   - la longueur d’impulsion

 

     Les fréquences employées sont élevées, de l’ordre de la centaine de KHz (100 hertz ou 500 hertz selon la résolution cherchée).

 .

 

 

  IV. Mécanisme :

 

 


 Figure 5: La chaine d'acquisition

 

 

       La chaîne d’acquisition est identique à tous les systèmes acoustiques d’imagerie. D’abord, un transmetteur relié à une alimentation génère ou amplifie des signaux électriques. Ensuite, un transducteur transforme l’énergie électrique en énergie sonore et inversement lors de la réception. Enfin, un câble électroporteur conduit le signal électrique résultant à bord du navire ou il sera traité par un système de réception électronique. Dans le but d’être convenablement visualisable analysable et stocké ce signal sera alors sujet à une pré-amplification, un filtrage et à une numérisation.

 

1.      Emission et réception :

 

      Les sonars à balayages latéraux sont des systèmes acoustiques de types émetteur- récepteur composés de deux voies composés de deux voies disposées symétriquement de part et d’autre du poisson.

 

a.      Utilisation d’un transducteur en réception et émission :

     Double fonction du transducteur : 

-         A l’émission : transforme l’énergie électrique en énergie sonore

-         A la réception : transforme l’énergie sonore en énergie électrique

 

Dans ce but, il existe à l’intérieur du transducteur, deux plaques piézo-électriques en céramique qui s’étirent ou se contractent sous l’influence d’un champ électrique. Ce mécanisme est à l’origine d’une impulsion sonore lors de l’émission.

 

Au bout d’un nombre déterminé de cycles, les transducteurs entament une phase d’écoute. C’est le principe de la réception. Les impulsions ultras sonores successives se propagent dans l’eau vont être réfléchies sur le fond. Seul l’onde spéculaire c'est-à-dire celle qui empreinte la même trajectoire après réflexion est reçue par le transducteur. A réception, une déformation des plaques piézo-électrique va engendrer des charges électriques à leur surface. Une reconversion de l’onde acoustique en énergie électrique est alors effectuée. Le signal électrique  résultant correspond à l’écho.

 

Or, un transducteur ne fournit l’image que du coté ou il est placé. Afin d’étendre la zone d’étude, les sonars sont équipés de deux transducteurs, un à bâbord et l’autre à tribord. Egalement, pour éviter les diaphonies (phénomènes d’interférence entre deux ondes), on emploi des fréquences différentes pour chaque transducteurs.

 

Des antennes allongée de geométrie rectangulaire sont installés de part et d'autre du poisson . Elles gèrent la directivité des faisceaux et de ce fait leurs angles d'ouverture.

Des deux transducteurs latéraux sont donc émis des faisceaux très fins. Ceux- ci sont caractérisés par :

 

-         un degré d’ouverture en gisement (dans le plan horizontal)

-         20 à 50 ْ d’ouverture en site (plan verticale)

 

 

Figure 6 : Exemple d’ouverture des faisceaux dans le plan longitudinal et transversal

 

 

 


Figure 7: Angles du faisceau émis

En gisement: 2Ө3 Tres étroit, directif

En site: 2α3 Le plus ouvert possible

 

 

Le faisceau est caractérisé par :

-         1 lobe principal définit par

·        les angles 2Ө3 et  2α3 en radian

·        la longueur d’onde du signal sonore en m ( l )

·        les dimensions du transducteur ( L et l )

-         lobes secondaires   

                      

Le lobe principal est entouré d’une couronne qui correspond aux lobes secondaires. Dans le faisceau acoustique émis, l’intensité sonore du lobe secondaire est très inférieur (- 40 dB) à celle du lobe principal.

Quand le transducteur est orienté verticalement par rapport au fond, le lobe secondaire heurte la surface du sol marin avec une incidence rasante. L’écho rétrodiffusé est donc fortement atténué et tend à être négligeable.

b. Perte par transmission :


     La mer est un milieu de propagation dissipatif, c'est-à-dire que l’onde émise est dissipée par transmission ou absorption ou plus précisément par frottement ou par réaction chimique.

 
Ainsi, l’amplitude du signal s’affaiblit au cours de la propagation. La perte par transmission traduit cette diminution de l’intensité acoustique.

 
Deux phénomènes expliquent cette perte par transmission :

-         La divergence géométrique c'est-à-dire le fait que l’énergie émise est de plus en plus diluée dans l’espace en s’éloignant de la source. Dans un milieu homogène, pour une source à rayonnement sphérique, l’énergie émise est conservée mais se répartie sur des sphères de rayon de plus en plus grand. Cet étalement traduit donc une diminution d’intensité proportionnellement à la surface.

 

-         L’amortissement qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation c'est-à-dire de la température, de la salinité, de la pression hydrostatique et de la fréquence de l’onde émise. Il provoque une diminution de pression acoustique (en dB) proportionnelle à la distance parcourue

 

 

Cette perte de propagation va limiter la portée du système sonar. Elle est traduite par un coefficient d’absorption. Ainsi, plus la fréquence est basse, plus le coefficient  d’absorption est faible.

 

 
2.      Les différents échos :


Le niveau de l'echo dépend : -  de l'incidence du faisceau

                                               -  du pouvoir réflecteur du fond

                                               -  de la morphologie

 

      Ainsi, l'intensité du signal est autant modifié lors d'un changement de pente que par un changement de la nature du fond.

Plusieurs echos echos éxistent donc et diffèrent suivant la nature de la réflexion qui leur donne naissance.

a. Echos liés à la réflexion spéculaire :

 

 

Figure 8: La réfexion spéculaire 

     A l’émission, les rayons sonores ont une incidence presque normale avec le fond (à + ou – 5°). Sur un obstacle la quasi-totalité de l’énergie émise est alors réfléchie  dans une seule direction. Les échos résultants sont donc caractérisés par de fortes amplitudes de courtes durées comparables à celle du signal émis.

 

 

 

b.      Echos liés au phénomène de réverbération :

 

 

 Figure 9: Le phénomène de réverbération

     La réverbération correspond aux problèmes d’interaction entre la diversité des fonds marins et une onde acoustique.

Ainsi lorsqu’une onde acoustique se propage dans le milieu marin, une partie de son énergie est réfléchie de façon incohérente en phase et en direction. C’est le phénomène de réverbération ou rétrodiffusion.

Les échos de réverbération sont causés par la réflexion des ondes sonores sur le fond marin lorsque l’incidence du faisceau est supérieure à l’incidence normale.

Ces échos ont donc une amplitude et un niveau acoustique plus faible que celui de la réflexion spéculaire.

 

 

La quantité d’énergie réverbérée dépend  - du coefficient de réverbération

                                        - de la lithologie du fond

                                        - de l’angle d’incidence

 

Exemple :

 

Le passage de la vase au substrat rocheux est marqué par un changement de la valeur du coefficient de réverbération (variation de 20 à 25 décibel)

Expression de l’indice de réverbération :

 

        R = 10 log (Ir/ Ii)         Ir : intensité sonore réverbéré à 1m d’un élément de surface

                                              Ii : intensité sonore incidente mesurée au centre de l’élément réverbérant

 

 

 3.  Notion d’ombre :

 

  Le relief sous marin est à l’origine du phénomène de la formation d’ombres.

Sur le fond, un obstacle de dimension suffisante va en effet intercepter une partie du secteur angulaire verticale émis. La réflexion par le fond est alors interdite, une zone en dépression ne peut renvoyer l’énergie émise par le transducteur.

 Figure 10: Mise en évidence d'une ombre

 

En résultat, l’écho reçu sera de très  faible niveau pendant une durée dépendante de l’angle de rasance et de la hauteur de l’objet masquant. Une ombre dont la forme correspondra à celle de l’objet en relief sera ainsi mis en évidence. Celle-ci apparaîtra en blanc sur le sonagramme.  Aussi, l’analyse de la longueur de l’ombre projetée permettra une estimation de la taille et de la forme de l’obstacle.

 

 

Figure 11: Ombre dans une zone insonifiée 

 

      V. L’IMAGE SONAR

 

 1. Formation de l’image :

 Le sonar latéral fournie une image en continu et en niveau de gris du fond marin.

  

En effet, une image est constituée par un ensemble de lignes. Chaque ligne est acquise séparément par un même processus acoustique se répétant périodiquement :

 

Un signal électrique de courte durée est transformé en onde acoustique via une antenne. La géométrie de l’antenne oblige l’onde à se déplacer dans un plan verticale perpendiculaire à l’antenne. A l’encontre d’un obstacle, l’onde acoustique issue de la réflexion spéculaire revient au transducteur. Ce sont les signaux liés à la réverbération qui ensuite, surviennent à des temps différents. Au niveau du signal analogique, ils sont représentés par une succession de pics. Sur l’image, ces pics et dépressions, de la morphologie du signal, seront  conçus dans des valeurs de pixels comprises dans l’échelle des gris.

 

 

                                         Figure 12 : Procédé de création du pixel image à partir d'une emmesion sonar. D'après Paul Johnson H et Helferty M., 1990

2. Principe de restitution : Les sonogrammes papiers et numériques


  Le signal acoustique transformé en signal électrique est ensuite traité pour reconstituer une image acoustique du fond marin, le sonogramme. A mesure que les transducteurs se déplacent vers l’avant  les transmissions ultras soniques (cadence d’impulsion égale à 0,15 ms) génèrent des bandes parallèles de données assurant ainsi une couverture continue du fond marin. Ainsi, l’énergie des ondes rétro diffusées reçue par le poisson est codée en 256 niveaux de gris. Selon l’intensité de rétrodiffusion des ondes, les nuances de gris varient en fonction des différents types de fond.

 

Deux facteurs interviennent sur la variation d’intensité de gris :

 

-         les propriétés du sédiment

-         l’allure du fond

 

  Aussi, il est possible d’inverser la palette de niveaux de gris. Remorqué à une hauteur constante au dessus du fond, le poisson éclaire de façon « rasante » la surface du sol marin. Les objets déposés sur le fond sont alors différenciés par effet de ombrage.

 

La qualité des images retranscrites reflète la rugosité du fond et l’impédance acoustique de ses constituants plutôt que sa granulométrie. L’incidence du relief influe sur la réflexion des ondes et donc sur la quantité d’énergie rétrodiffusée. Les surfaces les mieux insonifiés apparaissent en sombre alors que les zones d’ombres sont représentées en clair.

 

Figure 13: Assimilation des niveaux de gris