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. 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 1^er exemple, datant de la Seconde Guerre mondiale, est celui de la détection des U-Boot par les sonars actifs des Alliés (les ASDIC). Le 2^e 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 3^e 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.