Du sondeur vertical au sondeur
multifaisceaux
Patrick Michaux
Les navigateurs sont familiers des
écho-sondeurs classiques, dits sondeurs monofaisceaux
ou verticaux. Ces appareils mesurent la profondeur à
la verticale du navire le long de la route suivie, au
moyen d’ondes sonores.
Ces sondeurs ont longtemps été le seul
moyen acoustique disponible, permettant aux hydrographes
de mesurer la profondeur en vue d’établir les
documents d’aide à la navigation de surface ou
sous-marine. Aujourd’hui encore, certains navires hydrographiques
et la plupart des embarcations hydrographiques de petites
dimensions en service au SHOM mettent en œuvre des sondeurs
de ce type.
Toutefois, au cours des années
70, une nouvelle génération de sondeurs
beaucoup plus performants est apparue sur le marché
: les sondeurs multifaisceaux (SMF). Ces appareils mesurent
la profondeur sur une large fauchée, comme le
feraient de multiples sondeurs verticaux orientés
différemment par rapport à la verticale.
Dès 1989, le SHOM a franchi le pas en adoptant
cette nouvelle technologie sur l’un de ses bâtiments
(BH2 BORDA) et a décidé d’entrer dans
ce qu’il faut appeler une nouvelle ère pour l’hydrographie.
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Sondeurs verticaux
Les sondeurs verticaux sont très
répandus dans le monde de la navigation et équipent
la plupart des navires et embarcations naviguant aujourd’hui.
Ces sondeurs déterminent la profondeur à
la verticale du navire en mesurant le temps de propagation
aller-retour d’une onde acoustique entre le navire et
le fond. La connaissance de la célérité
du son dans l’eau permet d’en déduire la distance
entre le fond et le navire, c’est-à-dire la profondeur.
Comme le montre le cône rouge
de la figure 1, le sondeur vertical émet une
onde qui peut être assimilée à un
cône d’ouverture importante (de 15 à 30
degrés en général). La résolution
de ce sondeur demeure donc assez faible : la surface
« insonifiée » au fond est d’autant
plus importante que l’ouverture du cône est grande
et que la profondeur est importante.
Sondeurs multifaisceaux (SMF)
Le principe de fonctionnement des sondeurs
multifaisceaux est différent : il est basé
sur des techniques acoustiques qui permettent, non plus
de sonder à la verticale du navire comme les
sondeurs classiques, mais de mesurer sur toute une fauchée
perpendiculaire à l’axe du navire. La largeur
de cette fauchée varie de 2 à 7 fois la
profondeur.
La technique généralement utilisée
est dite des « faisceaux croisés »
car l’émission du signal sonore et la réception
de l’écho réfléchi s’effectuent
selon des faisceaux perpendiculaires dont l’intersection
représente la surface sondée. L’émission
est effectuée par un faisceau de très
faible ouverture longitudinale (de l’ordre de 2°)
mais très large latéralement (de 30°
à 180° suivant les sondeurs). La réception
est effectuée par plusieurs faisceaux (de 20
à plus de 200) perpendiculaires au faisceau d’émission,
de faible ouverture latérale (1 à 5°
en général) et de grande ouverture longitudinale
(plus de 20°) de façon à recevoir
avec certitude le signal réfléchi.
La figure 1 illustre cette technique.
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Avantages
La précision des données
des SMF n’est pas supérieure à celle des
sondeurs monofaisceaux. Les données de bathymétrie
acquises par ces sondeurs respectent les mêmes
normes hydrographiques en termes de précision
verticale.
En revanche, les SMF constituent une
véritable révolution en termes de :
Densité et couverture
des données :
Les sondages classiques ont toujours été
effectués le long de routes parallèles
(les profils) et régulièrement espacées.
Cette méthode produit une très forte densité
de données le long de la route suivie, tout en
laissant une grande surface entre les profils totalement
inconnue. Les données des SMF, acquises avec
une cadence qui peut être élevée,
sont régulièrement espacées au
sol dans les deux directions (selon le profil et perpendiculairement
à celui-ci). Il est en outre possible de mettre
à profit la couverture latérale du sondeur
pour effectuer des recouvrements entre les fauchées
acquises et assurer ainsi une couverture bathymétrique
totale du fond, ce qui était pratiquement
irréalisable avec les sondeurs verticaux. On
parle alors de sondages surfaciques et non plus linéaires.
Résolution :
Les SMF permettent une résolution bien supérieure
à celle des sondeurs verticaux classiques : la
technique des faisceaux croisés permet d'obtenir
une pastille insonifiée d’ouverture 2° à
5° selon les deux directions, alors que la profondeur
mesurée par un sondeur vertical est l’intersection
d’un cône d’ouverture 20° à 30°
avec le fond. La description du fond est donc nettement
améliorée, en particulier dans les grandes
profondeurs.
Imagerie :
Les sondeurs verticaux fournissent des mesures de bathymétrie
et permettent une appréciation de la nature du
fond en fonction de sa rugosité et de l’absorption
du signal acoustique. En revanche, il est possible d’exploiter
les données SMF en terme de réflectivité
(importante pour des substrats durs et beaucoup plus
faible du fait de l’absorption de l’onde pour des substrats
mous), et de les tracer sous forme d’image. Ces données
permettent une visualisation en deux dimensions des
natures du fond, très utile aux sédimentologues.
L’imagerie acoustique était jusqu’alors l’apanage
des systèmes sonar.
Inconvénients
Paradoxalement, le principal inconvénient
des SMF est un corollaire de leurs qualités :
le volume des données acquises. Comme le traitement
des données des sondeurs verticaux était
effectué essentiellement à la main sur
support analogique, il a fallu complètement revoir
les méthodes de travail pour traiter les millions
de sondes acquises en quelques heures par les SMF petits
fonds sous forme numérique. Toutes les opérations
ont été informatisées, automatisées,
mais le traitement des volumes gigantesques de données
par très petit fond (de l’ordre de 100 millions
de sondes pour 1 km² de surface sondée)
demeure encore un défi informatique.
En outre, si l’exploitation des mesures
du sondeur vertical se contentait de paramètres
extérieurs assez sommaires (connaissance de la
valeur moyenne de la célérité du
son et éventuellement du cap du navire), les
SMF nécessitent une connaissance parfaite d’un
ensemble de données complémentaires.
La connaissance des caractéristiques acoustiques
du milieu est primordiale : en effet, les faisceaux
non verticaux du sondeur ne se propagent pas en ligne
droite, ni à vitesse constante, si le volume
d’eau traversé n’est pas homogène en température
et salinité. Ces paramètres peuvent être
modifiés par la présence de masses d’eau
diverses (eau douce en estuaire...)
De même l’attitude du navire porteur (roulis,
tangage, pilonnement, cap) doit être connue avec
exactitude afin de positionner convenablement les sondes
mesurées.
Ainsi, les navires, aussi petits soient-ils, doivent
être équipés de centrales inertielles
précises et de systèmes de mesure de la
célérité du son dans l’eau.
Applications
et progrès apportés par les sondeurs multifaisceaux
Les progrès apportés par
les SMF sont utiles à la navigation dans la mesure
où ils permettent une connaissance totale du
fond dans des endroits ou les levés disponibles
résultent de la mise en œuvre de sondeurs verticaux,
sans une exploration complète du fond (au sonar
latéral par exemple). Ils accroissent donc la
sécurité de la navigation, même
si le résultat de l’exploitation cartographique
des données ne diffère pas de celui des
données des sondeurs verticaux.
En revanche, la résolution importante et la couverture
totale des SMF sont des atouts considérables
pour tous les usagers de la mer dont les besoins nécessitent
une connaissance détaillée de la morphologie
du fond : industries offshore et pétrolière,
pour la pose de pipe-lines ou de câbles sous-marins,
militaires pour des applications de lutte anti-mines,
océanographes, qui utilisent la topographie précise
des fonds pour modéliser et comprendre les mouvements
des masses d’eau...
La figure 2 présente un exemple de ce qu'il est
possible d'obtenir grâce à une modélisation
numérique du fond.
Fig.2 - Goulet de Brest, basse Hermine - modèle
numérique de terrain
d'après un levé au sondeur multifaisceaux
Simrad EM 1002
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(87 Ko)
Les sondeurs multifaisceaux constituent
une réelle révolution technologique dans
le domaine de l’hydrographie, qui a nécessité
un changement radical des technologies utilisées
tant pour l’acquisition que pour le traitement des données.
En dépit des difficultés que leur utilisation
soulève, ils constituent un progrès considérable,
dont la maîtrise est nécessaire à
la connaissance détaillée du fond des
océans, de plus en plus importante pour les besoins
des usagers de la mer.
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