Introduction à la détection en sonar actif - Notions de base

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. Plus d’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 pêche et la navigation. Cet article parcourt les notions de base 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 et la prise en compte de la réverbération ne sont pas abordés ici. Sur le plan technologique, les divers facteurs limitatifs des performances dus à la cavitation et la présence de revêtements anéchoïque sont présentés dans l’article [RAD 6 715].

La première section (§ 1) 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 ; contrairement à l’écoute passive à but très largement militaire, émettre des impulsions sonores a de nombreuses utilisations dans le civil notamment pour le sondage et les télécommunications, deux domaines que nous présenterons succinctement. Bien sûr, les marines de guerre font aussi appel aux sonars actifs dans le but de détecter des sous-marins ou toutes autres menaces ; c’est d’ailleurs le sujet central de cet article. La portée de détection de ces matériels est déterminée par l’équation sonar en actif laquelle sera présentée et comparée à celle en passif [RAD 6 712].

La deuxième section (§ 2) est composée de cinq sous-sections présentant chacune un exemple de sonar actif, ainsi que leur portée en mer lorsqu’elle se trouve dans de la littérature ouverte. Elles sont confrontées, en fin d’article (§ 4) à celles obtenues via l’équation sonar, sous certaines hypothèses.

L’exemple A, datant de la Seconde Guerre mondiale, est celui de la détection des U-Boot par les sonars actifs des Alliés (les ASDIC). Leurs portées observées en mer sont détaillées.

L’exemple B est celui d’un puissant sonar d’étrave équipant les bâtiments de surface de l’US Navy dont l’une des missions est la protection des porte-avions vis-à-vis des sous-marins. Nous comparons ces antennes cylindriques aux sphériques, géométrie assez spécifique au domaine sonar. Les portées fournies par la littérature sont rappelées.

L’exemple C est relatif aux sonars remorqués actifs très basse fréquence plus récents et de plus en plus employés, avec jusqu’à maintenant une exception, l’US Navy. Nous retraçons les événements qui ont conduit à cette situation surprenante. Nous présentons les matériels les plus représentatifs de cette catégorie. Les nombreux fabricants de ces sonars fournissent des portées qui sont inexploitables car leurs conditions d’obtention ne sont pas définies.

L’exemple D est celui des réseaux de bouées actives et passives larguées depuis les avions de patrouille maritime. À la différence du précédent, ce secteur est caractérisé par une production de masse, dominée par les États-Unis et concentrée sur deux firmes très dynamiques. Nous présentons les caractéristiques principales des bouées et leur emploi. Pour les même raisons que précédemment, nous n’avons pas pu faire de comparaison équation du sonar/résultats en mer.

L’exemple E concerne la détection de plongeurs à proximité d’un navire à protéger au mouillage ou à quai, préoccupation sécuritaire sans cesse croissante. Là, il existe des portées observées en mer.

La troisième section (§ 3) est constituée de cinq sous-sections, chacune étant relative à un terme de l’équation sonar, leur ordre de présentation étant celui de leur emploi dans l’équation sonar.

La première sous-section (§ 3.1) présente 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 des trois types de transducteurs les plus courants y est détaillé.

Dans la sous-section suivante (§ 3.2), sont évaluées des pertes de propagation permettant le calcul des portées pour les trois cas concernés (exemples A, B et E).

L’index de réflexion des cibles est défini au début de la troisième sous-section (§ 3.3). 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. Ce point est approfondi dans l’article [RAD 6 715].

Pour chacun des exemples, le niveau de bruit est ensuite déterminé ainsi que les index de directivité des antennes (§ 3.4).

Les propriétés des codes émis font l’objet de la sous-section suivante (§ 3.5) avec une attention particulière aux codes à fréquence pure ou modulée linéairement. En effet, ce sont à partir de ces deux formes d’ondes élémentaires que sont construits la quasi-totalité des pulses des sonars actifs opérationnels. L’intérêt et les performances de ces codes sont présentés, ainsi que la détermination des seuils de détection pour un taux de fausse alarme donné.

La dernière section (§ 4) est consacrée au calcul des portées de chacun des trois exemples concernés grâce à l’équation sonar. Les résultats sont comparés aux valeurs observées en mer fournies au § 2.

La conclusion synthétise les spécificités du domaine des sonars actifs qui ont été abordées au fil de cet article et introduit les points traités dans le suivant [RAD 6 715].

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles utilisés.