Les techniques acoustiques consistent en des appareils qui émettent dans la colonne d’eau de l’énergie sonore sous forme d’une suite continue d’impulsions et qui détectent l’écho qui revient. Les différences dans la force de l’écho servent à déterminer la morphologie des structures ainsi que les caractéristiques et propriétés physiques du fond de la mer. La profondeur est calculée à partir de la vitesse du son dans l’eau et du temps que met l’écho à revenir. Ces valeurs peuvent être mesurées avec une très grande précision de sorte que, combinées à des systèmes précis de positionnement et de captage du mouvement, elles permettent de produire des cartes très précises du fond de la mer. De la même manière, à partir de la vitesse du son dans une entité stratigraphique, par exemple des sédiments de surface, on peut déterminer l’épaisseur de l’entité en question.
Schéma du mode de fonctionnement des techniques de balayage acoustique
Parmi les systèmes acoustiques, on distingue les échosondeurs monofaisceau, les systèmes acoustiques de classification automatique des natures de fonds (SACLAF), les échosondeurs multifaisceaux, les sonars à interféromètre, les sonars à balayage latéral et les profileurs du sous-sol du fond.
3.3.3.1 - Échosondeurs monofaisceau
Les échosondeurs monofaisceau utilisent un seul transducteur émetteur-récepteur émettant une série d’impulsions sous forme d’ondes sonores, qui insonifie une petite surface sous le navire. Le temps écoulé entre l’émission d’une impulsion et le retour de l’écho correspondant sert à calculer la profondeur de l’eau sous le navire.
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Single beam echo sounder ROG : lignes directrices opérationnelles concernant les échosondeurs monofaisceau.
3.3.3.2 - Échosondeurs monofaisceau et SACLAF
Le signal reçu d’un échosondeur monofaisceau peut servir à déduire et à classifier les habitats benthiques. Cela fonctionne de différentes manières selon les systèmes – voir les manuels d’instructions. À titre d’exemple (et en résumé) RoxAnnMC et ECHOplus utilisent l’écart entre le premier retour d’un signal et un second retour, plus faible, dû à la réflexion à la surface de la mer, pour décrire des caractéristiques du fond. Le modèle de répartition des points d’un graphique de l’écho 2 (E2) en fonction de l’écho 1 (E1), combiné à des levés sur le terrain, permet de classifier la nature du fond. D’autres logiciels, par exemple le système ImpactMC de Quester Tangents, n’utilisent que le premier écho.
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AGDS ROG : lignes directrices opérationnelles concernant les SACLAF
Optimal track spacing for AGDS : étude de cas sur l’espacement optimal des passages pour les SACLAF
Case Study Sidescan Sonar : étude de cas sur la détection et l’identification optimales des structures biogènes à l’aide d’un sonar à balayage latéral
3.3.3.3 - Échosondeurs multifaisceaux et sonars à interféromètre
Ces deux types de systèmes acoustiques à balayage font appel à des applications légèrement différentes de la technologie des ondes sonores. Les échosondeurs multifaisceaux fonctionnent essentiellement comme les échosondeurs monofaisceau, mais comportent un grand nombre de transducteurs émetteurs-récepteurs placés de manière à émettre un éventail d’impulsions sonores de chaque côté du navire. La largeur de la fauchée résultante est souvent de sept fois la profondeur de l’eau. La force des signaux qui reviennent produit une image de rétrodiffusion, qui donne une indication de la dureté et de la rugosité du fond.
À l’heure actuelle, les échosondeurs multifaisceaux sont beaucoup employés pour des levés hydrographiques destinés à la production de cartes marines. Ils constituent également un outil important pour la cartographie des habitats, en raison de la couverture qu’ils permettent d’obtenir et de leur contribution à la détermination des caractéristiques du fond.
Pour plus de détails sur les analyses de rétrodiffusion, voir le rapport de l’atelier MESH des 30 et 31 mars 2006 sur la rétrodiffusion (Backscatter_Workshop_30-31_March_report).
Les sonars à interféromètre émettent de l’énergie à partir d’un seul point, mais détectent le signal de retour en deux points situés l’un au-dessus de l’autre. Ces appareils mesurent continuellement la « différence de phase » du signal de retour entre ces deux points (voir la recension des normes et protocoles pour la cartographie des habitats benthiques, 2e édition). De cette manière, les sonars à interféromètre ont une largeur de fauchée qui peut atteindre 15 fois la profondeur de l’eau. Les sonars à interféromètre sont généralement fixés sur la coque ou montés sur un mât au-dessus d’un côté du navire. La différence de phase du signal de retour entre les deux points de mesure sert à calculer et à cartographier la profondeur. La force du signal de retour permet de produire des images semblables à celle d’un sonar à balayage latéral (voir le paragraphe 3.3.3.4 « Sonar à balayage latéral ») mais la résolution est meilleure que celle des images de rétrodiffusion comparables produites par les sondeurs multifaisceaux. Malgré l’avantage que représente cette combinaison de mesures bathymétriques et d’imagerie à haute résolution, les sonars à interféromètre ne sont pas beaucoup utilisés, pour des raisons de complexité de traitement. Ils donnent toutefois des résultats prometteurs et leur utilisation est en croissance.
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Backscatter_Workshop_30-31_March_report : atelier des 30 et 31 mars 2006 sur la rétrodiffusion
Swath Bathymetry ROG : lignes directrices opérationnelles concernant les sondeurs multifaisceaux et les sonars à interféromètre
Étude de cas – Banc Hemptons Turbot
Survey Data Analysis Investigation for Hemptons Turbot Bank : étude de cas sur l’analyse des données du banc Hemptons Turbot
3.3.3.4 - Sonar à balayage latéral
Le sonar à balayage latéral se présente généralement sous forme d’un « poisson » remorqué dans l’eau derrière un navire auquel il est relié par un câble. Ce poisson émet un faisceau d’énergie qui balaie le fond perpendiculairement à la course du navire.
Comme l’appareil est remorqué à une certaine profondeur, il se trouve plus près du fond, ce qui permet d’obtenir des données plus détaillées tout en réduisant les interférences dues au navire lui-même. En eau profonde, il est nécessaire de déterminer avec précision la position du poisson remorqué, à l’aide d’un système à base ultra courte.
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Sidescan Sonar ROG : lignes directrices opérationnelles concernant le sonar à balayage latéral
Étude de cas sur le sonar à balayage latéral
Case Study Sidescan Sonar : étude de cas sur le sonar à balayage latéral
La technologie des échosondeurs est encore en pleine évolution, de même que le décodage des signaux de retour et l’analyse des cartes résultantes. Ce sont des outils extrêmement précieux pour la cartographie des habitats, car ils offrent une couverture totale et produisent des cartes donnant la profondeur de l’eau et les structures du fond, dont on peut déduire des caractéristiques de rugosité et de dureté. L’information présentée ici est fondée sur les connaissances et l’expérience actuelles, mais ce domaine est en constante évolution. Comme le domaine de l’hydrographie semble dicter les règles d’utilisation des échosondeurs et sonars de différents types, les normes acceptables pour les levés hydrographiques peuvent constituer un bon début. Mills (1998) en donne une description simple, et la recension des normes et protocoles pour la cartographie des habitats benthiques, 2e édition donne plus de détails (Coggan et al. 2007).
Sidescan Sonar exploration of Littoral Oysters and Mussels : étude de cas sur l’étude des huîtres et des moules par sonar à balayage latéral
3.3.3.5 - Profileurs du sous-sol du fond
Il existe une vaste gamme de profileurs du sous-sol du fond qui, comme leur nom l’indique, sont conçus pour voir les structures géologiques et de sédimentation sous le fond de la mer. Ces appareils se sont beaucoup développés sous l’impulsion du secteur des hydrocarbures, pour la cartographie des réserves de pétrole et de gaz situées sous le fond de la mer. Selon la longueur d’onde et l’amplitude des ondes sonores émises, on les subdivise en « étinceleurs », « compresseurs d’impulsions », « émetteurs acoustiques »,
« boomers » et « canons à air ».
Les profileurs du sous-sol du fond peuvent être remorqués derrière un navire, ou encore fixés sur la coque ou sur un mât. Ils permettent de voir en ligne droite dans le sous-sol du fond, un peu comme un couteau que l’on enfonce dans un gâteau à étages. En remorquant derrière un navire une suite d’émetteurs sonores et d’hydrophones récepteurs, on peut produire des cartes en trois dimensions. Cette approche, qui s’avère extrêmement coûteuse, est plutôt réservée au secteur des hydrocarbures. Pour la cartographie des habitats, seule l’information sur les sédiments superficiels (en général jusqu’à une profondeur ne dépassant pas 50 cm) est nécessaire, sauf si les sédiments sont très mobiles ou si l’on veut s’attarder à l’évolution historique du fond. À titre d’exemple, on peut vouloir connaître à quelle profondeur se situe l’interface entre des rides de sable et la couche basale plus stable d’argile, de vase ou de roche, afin d’avoir une indication de la fréquence (en général de l’ordre de plusieurs mois ou années) à
laquelle cette couche basale est exposée, ce qui entraîne un changement de matériau au fond de la mer et donc à un changement d’habitat.
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Sub bottom Profiling (Chirp) ROG : lignes directrices opérationnelles concernant le profilage du sous-sol du fond (compresseur d’impulsions)
3.3.3.6 - Imagerie sismique 3D Liens vers des documents
3D Seismic imagery ROG : lignes directrices opérationnelles concernant l’imagerie sismique 3D