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Article

1 - COMPARAISON DE LA DÉTECTION SOUS-MARINE (DSM) EN ACTIF ET EN PASSIF

2 - PRÉSENTATION DES TROIS EXEMPLES

3 - L’ÉMISSION (SL)

4 - PERTES DE PROPAGATION (TL)

5 - INDEX DE RÉFLEXION (TS)

6 - NIVEAU DE BRUIT (NL) ET INDEX DE DIRECTIVITÉ (DI)

7 - GAIN DE TRAITEMENT (GT) ET SEUIL DE DÉTECTION (DT)

8 - COMPARAISON DES RÉSULTATS DE L’ÉQUATION ET CEUX IN SITU

9 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : RAD6714 v1

Comparaison des résultats de l’équation et ceux in situ
Introduction à la détection en sonar actif - Notions de base

Auteur(s) : Denis PILLON

Date de publication : 10 nov. 2017

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RÉSUMÉ

Bien qu'indiscret et consommateur d'énergie, le sonar actif est très utilisé, notamment dans le domaine militaire dans le but détecter les sous-marins. La présentation suit, étape par étape, le cheminement de l'impulsion émise qui se réfléchit ensuite sur un obstacle ou une cible. Après avoir effectué le trajet retour, l'écho est reçu par une antenne, traités grâce à des algorithmes dont les sorties sont présentées à un opérateur. Cet ordre est aussi celui des termes de l’équation sonar. Trois exemples issus de situations réelles en mer concrétisent cette approche. Cette première partie traite du cas élémentaire (en bruit seul).

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ABSTRACT

Introduction to Active Sonar Detection. Basic Notions

Although indiscreet and energy consumer, active sonar is widely used especially in the military field in order to detect submarines. The presentation follows, step by step, the path of the emitted pulse when reflected on an obstacle or a target. After the return path, the echo is received by an antenna, processed by algorithms whose outputs are displayed to an operator. This sequence is also one of the terms of the active sonar equation. Three examples from real situations at sea show the use of this equation for calculation of detection range. This first part deals with the basic case (noise only).

Auteur(s)

  • Denis PILLON : Ingénieur retraité - Conseiller de l’équipe Signaux & Système, IM2NP, Université du Sud Toulon Var, France

INTRODUCTION

Le 4 mai 1918, dans la rade de Toulon, le sous-marin Messidor était détecté à une distance d’environ 500 m par un nouveau type d’appareil, le sonar actif. Un siècle après cette première, les performances ont régulièrement augmenté, le domaine s’est diversifié et actuellement, plusieurs millions de sonars actifs opèrent dans les eaux de la Terre, les plus nombreux pour la pèche et la navigation. Cet article parcourt les notions de bases permettant de comprendre le fonctionnement de ces matériels. Les lecteurs pourront ensuite approfondir le sujet grâce à des ouvrages spécialisés. Sur le plan fonctionnel, cette présentation s’arrête à l’étape primaire de détection dans des conditions simples (bruit seul) : les algorithmes de pistage, de classification des échos, la prise en compte de la réverbération ne sont pas abordés ici. Sauf mention particulière, la détection est considérée comme s’effectuant en monostatique (l’émission et la réception se font au même endroit). Sur le plan technologique, les divers facteurs limitatifs des performances comme ceux dus à la réverbération, à l’effet de la cavitation et des revêtements anéchoïques seront approfondis dans le second article relatif aux notions avancées.

La première section de cet article compare la détection sous-marine en actif et en passif. En premier lieu, sont traitées les différences concernant les techniques de détection non acoustiques actives et passives. Puis sont décrites les applications : émettre des impulsions sonores a de nombreuses utilisations dans le civil (sondages, télécommunications, imagerie, etc.) contrairement à l’écoute passive à but très largement militaire. Bien sûr, les marines de guerre font aussi appel aux sonars actifs dans le but de détecter des sous-marins ou toutes autres menaces : ce sera le sujet central ici traité. Leur portée est déterminée par l’équation sonar en actif qui sera présentée et comparée à celle en passif. Cette équation sert de trame à l’exposé : chacun de ses termes sera détaillé dans une succession de sections spécifiques.

La deuxième section présente trois exemples de sonars actifs ainsi que leur portée en mer (issues de la littérature ouverte). Elles seront confrontées, en dernière section à celles obtenues via l’équation sonar, sous certaines hypothèses. Le 1er exemple, datant de la Seconde Guerre mondiale, est celui de la détection des U-Boot par les sonars actifs des Alliés (les ASDIC). Le 2e exemple est celui d’un puissant sonar d’étrave équipant les bâtiments de surface de l’US-Navy dont une des missions est la protection des porte-avions vis-à-vis des sous-marins. Le 3e concerne la détection d’un plongeur à proximité d’un navire à protéger au mouillage ou à quai.

La troisième section traite de l’émission acoustique dans l’eau, en commençant par la définition du niveau acoustique. Les sources explosives mais surtout les très répandus transducteurs piézoélectriques et leurs caractéristiques communes sont présentés. Le fonctionnement de trois types de transducteurs courants est détaillé, illustrant ainsi les considérations générales précédentes.

En quatrième section, sont évaluées des pertes de propagation permettant le calcul des portées pour les trois exemples.

L’index de réflexion des cibles est défini au début de la section 5. Les formules permettant son calcul pour certains corps creux de géométrie simple sont ensuite fournies. Elles permettent une première évaluation de l’index d’un sous-marin, mais souvent trop grossièrement. Il faut alors avoir recours à des simulations, comme l’illustre l’exemple d’un sous-marin classique.

Pour chacun des exemples, le niveau de bruit est ensuite déterminé ainsi que les index de directivité des antennes (§ 6).

Les propriétés des codes émis font l’objet de la section suivante avec une attention particulière aux codes à fréquence pure ou modulée linéairement. En effet, ce sont à partir de ces deux formes d’ondes que sont construits la quasi-totalité des pulses des sonars actifs. L’intérêt et les performances de ces codes seront présentés ainsi que la détermination des seuils de détection pour un taux de fausse alarme donné.

Le calcul des portées des trois exemples est effectué grâce à l’équation sonar et les résultats sont comparés aux valeurs observés en mer fournies en section 1. Dans la conclusion, nous listerons les points mentionnés au cours de cette présentation qui seront approfondis dans le second article.

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KEYWORDS

signal processing   |   active sonar   |   submarine detection   |   acoustic

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-rad6714


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8. Comparaison des résultats de l’équation et ceux in situ

Les résultats synthétisés dans le tableau 4 permettent cette comparaison. La détection est acquise à la distance observée (avant dernière ligne) si le FOM est supérieur au 2TL (dernière ligne).

8.1 Premier exemple : portée des ASDIC

La FFT n’étant pas encore née à l’époque de ce sonar, les traitements de réception se faisaient via une batterie de filtres jointifs , chacun de 330 Hz de bande, suivis d’une intégration d’au moins la durée de la FP (30 ms). Nous avons ajouté au seuil de détection de 18 dB (pas d’intégration pour P d = 0,9 et P fa = 10–3, voir § 7.1) une première marge de 6 dB due au fait que l’opérateur logé à l’étroit avec un simple casque et un oscilloscope n’était pas dans de très bonnes conditions pour assurer sa tâche de détection. Un autre facteur pénalisant les performances résidait dans la directivité de la base en site. En effet, le roulis et le tangage de ces bateaux relativement petits (1 000 tonnes) avaient pour effet que le lobe (ouverture 5°) n’était pas pointé exactement dans la direction de la cible. D’où une perte possible à l’émission de 3 dB en gisement et idem en site, puis les mêmes pertes en réception, soit 12 dB au maximum au total : la perte moyenne concernant le DI sera prise ici à la moitié soit 6 dB. Finalement, DT + Δ = 18 + 6 + 6 dB.

Le bilan présenté...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - AKINDINOV (V.V.) -   Electromagnetic waves in the sea water.  -  Radio Engineer Electronics, vol 21, N° 5 (1976).

  • (2) - IRISH (J.L.) -   An introduction to coastal zone mapping with airborne Lidar : the SHOALS system.  -  ADA492313 (2000).

  • (3) - JUHEL (P.) -   Histoire de l’acoustique sous-marine.  -  Vuibert (2005).

  • (4) - LURTON (X.) -   Acoustique sous-marine : Présentation et applications.  -  Edition Quae (1978).

  • (5) - PICCARD (J.) -   Profondeur 11 000 mètres.  -  Arthaud (1961).

  • (6) - HEARD (G.J.) and all -   Underwater light bulb implosions : a useful acoustic source.  -  Ocean 97 Conference Proceeding.

  • ...

1 Outils logiciels

COMSOL Multiphysics® Plate-forme universelle pour la simulation des physiques : https://www.comsol.fr/comsol-multiphysics

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2 Sites Internet

Discovery Sound In The Sea, site lié à l’Université de Rhode Island, à proximité du grand laboratoire NUWC Newport (Naval Undersea Warfare Center) : http://www.dosits.org/

Site répertoriant les sous-marins russes et leur actualité : http://www.soumarsov.eu/

Galerie de photos de SM 212 avec ou sans coque externe et autres SM du même type : https://hiveminer.com/Tags/submarine, tkms/Interesting

Tracé interactif des rayons à l’aide de profils moyens de bathycélérimétrie par zone et saison : https://www.arc.id.au/SonarRayTracing.htlm

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