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
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 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 :
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 :
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 :
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.
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
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.
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.
V. L’IMAGE SONAR
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