RÉCEPTION DE SIGNAUX ACOUSTIQUE À TRÈS GRANDES DISTANCES EN OCÉANOGRAPHIE

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Submitted on 1 Jan 1990

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RÉCEPTION DE SIGNAUX ACOUSTIQUE À TRÈS GRANDES DISTANCES EN OCÉANOGRAPHIE

X. Lurton

To cite this version:

X. Lurton. RÉCEPTION DE SIGNAUX ACOUSTIQUE À TRÈS GRANDES DISTANCES EN OCÉANOGRAPHIE. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1009-C2-1012.

�10.1051/jphyscol:19902236�. �jpa-00230564�

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COLLOQUE DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplément au n°2, Tome 51, Février 1990 C2-1009 1er Congrès Français d'Acoustique 1990

RÉCEPTION DE SIGNAUX ACOUSTIQUES À TRÈS GRANDES DISTANCES EN OCEANOGRAPHIE

X. LURTON

IFREMER, Centre de Brest, BP. 70, F-29280 Plouzane, France

Résumé : La propagation SOFAR est utilisée en océanographie pour la trajectographie à grandes distances de flotteurs subsurfaciques. Le champ acoustique (pertes et temps de propagation) est décrit de façon adéquate par un modèle d'énergie moyenne. Un traitement par corrélation en réception permet de conserver partiellement les caractéristiques énergétiques favorables du chenal SOFAR; l'utilisation d'un corrélateur à écrêtage comporte alors des inconvénients spécifiques.

Abstract : SOFAR propagation is used in oceanography for long-range tracking of subsurface drifting floats. The acoustic field (propagation losses and delays) is then adequately described by a range-averaged energy model. Correlation processing in reception partially preserves the favourable energetic characteristics of the SOFAR channel; however the use of a clipper correlator provides then specific disadvantages.

1 - TRAJECTOGRAPHIE DE FLOTTEURS SUBSURFACIQUES

Le projet océanographique mondial WOCE (World Océan Circulation Experiment) inclut l'étude de la circulation de courants marins à l'aide de flotteurs dérivants subsurfaciques trajectographiés durant plusieurs années. La participation de la France à ce projet concerne la couverture de l'Atlantique Sud, approximativement de l'Equateur au parallèle 50 S. Le principe retenu pour la trajectographie acoustique des flotteurs étudiés actuellement par l'IFREMER est celui déjà utilisé pour le système RAFOS tl] '• les flotteurs sont équipés d'un système de réception et dérivent à l'intérieur d'une région balisée par des sources T.B.F. fixes; ils enregistrent une sélection des instants d'arrivée des signaux de trajectographie issus des différentes sources. Au bout d'un temps préprogrammé (fixé à un an) ils remontent en surface et retransmettent par satellite ARGOS leurs données à un centre de traitement qui reconstitue donc la trajectoire a

•posteriori. Les flotteurs sont de type isobare, et devront dériver au voisinage de l'axe du chenal SOFAR, durant trois ans. La propagation des signaux acoustiques doit se faire sur des distances de l'ordre de 1000 à 2000 km dans le chenal SOFAR, afin de limiter le nombre de sources à utiliser pour la couverture de la zone.

2 - LA PROPAGATION SOFAR

La propagation SOFAR (SOund Fixing And Ranging) s'effectue au voisinage de l'axe du chenal sonore constitué par le minimum de célérité entre les portions "thermocline" et

"isotherme" d'un profil bathycélérimétrique océanique. Dans l'Atlantique Sud la profondeur typique de ce minimum est comprise entre 200 m et 1000 m [2], pour des hauteurs d'eau d'environ 4000 m. A cette structure du chenal sonore correspond un comportement très particulier du champ acoustique. Une description simple en est fournie par l'acoustique géométrique; on constate que les trajets multiples arrivent avec des intervalles de temps décroissants, les plus "pentus" arrivant les premiers, pour conclure par une accumulation d'énergie autour de l'arrivée des rayons "lents" para-axiaux (la description géométrique devenant évidemment inadaptée à ce stade). Les signaux SOFAR réels présentés dans la littérature (souvent émis par des sources explosives, pour des problèmes de puissance à émettre en T.B.F. et de comportement en pression aux immersions nécessaires) font effectivement apparaître une montée de plus en plus rapide du niveau global, avant une extinction quasi-instantanée (si l'on excepte les signaux résiduels réfléchis aux interfaces). Ce comportement est d'autant plus marqué que le chenal est plus prononcé et que source et récepteur sont proches de l'axe. On donne fig.l un exemple simulé bien caractéristique de ce type de réponse temporelle du milieu.

Le nombre de trajets (non concernés par les interfaces) concourant à un tel type de signal est'très important (typiquement de l'ordre de 200 sur 7 secondes à une distance de 1000 km pour une bathy Atlantique, nombre et durée proportionnels à la distance). C'est donc un problème de trajets multiples très particulier que l'on traite ici: plutôt que de chercher à isoler les contributions individuelles de chaque trajet, ce qui serait d'une part illusoire (du fait de l'ordre de grandeur infinitésimal des écarts de temps) et

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902236

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d'autre part limiterait la portée du système B la loi de divergence "sphérique"

individuelle des rayons (en 20 log(r) + ar). on cherche B utiliser les caractéristiques d'accumulation' d'énergie acoustique créée par le chenal.

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-

DESCRIPTION PAR UN MODELE D'ENERGIE MO=

Le champ sonore SOFAR peut être décrit de façon adéquate par le modèle d'énergie moyenne proposé pour les petits fonds par WESTON

[3].

^SMITH

[4]

ou BREKHOVSKIKH [5]. Ce modèle fait l'hypothèse d'une structure géométrique du champ constituée de nombreux cycles, qui définissent pour chaque direction élémentaire d'émission [ O , 0+d0] une probabilité de présence au récepteur M (z)de, un facteur d'amplitude lié B la divergence géomdtrique Pû(z). une distance cyclitue Dg et un décrément dti à l'amortissement et aux pertes aux interfaces ag. L'expression totale du champ s'écrit finalement par intégf-ation sur l'ensemble des directions d'émission:

<pz (r,z)>=4r- 1

je

cos0 sin-lû (z) ~~-'exp(-o~r) dû

Contrairement B d'autres types de configurations grands fonds (par exemple quand les phénomènes de zones d'ombre et de convergence sont significatifs) ce modèle s'applique très bien au chenal SOFAR, pour lequel les cycles de rayons para-axiaux sont très nombreux. On donne fig.2 un exemple de champ sonore moyenné calculé par cette méthode pour un profil bathy type de l'Atlantique Sud (profil annuel S20 W020 de l'Atlas S.LEVITUS), avec source B 260 Hz située dans l'axe du chenal. L'allure du champ est tout B fait caractéristique. Les résultats obtenus avec le calcul modal (qui fournit une solution plus rigoureuse) sont quasiment superposables

.

Le modèle d'énergie moyenne permet d'accéder de façon intéressante B certaines caractéristiques temporelles du champ [6]. A partir de la définition de la vitesse moyenne V associbe fk une direction d'émission on définit simplement l'allure temporelle de l'énergie moyenne du signal reçu:

où E(t) est l'énergie du signal émis. On peut ainsi calculer directement l'allongement moyen du signal (fig.2 B d.) et l'enveloppe moyenne du signal temporel en un point donné du guide d'onde. en évitant la recherche des rayons propres. On en donne fig.3 un exemple de réalisation. toujours pour le même profil bathy et B une distance source-récepteur de 1000 km. L'enveloppe moyenne du signal ( à gauche) calculée par le modèle d'énergie moyenne est B comparer aux résultats obtenus avec un calcul complet de rayons propres de 950 à 1050 km tous les 10 km. toutes enveloppes superposées. On constate que l'enveloppe moyenne du signal donne un résultat extrêmement satisfaisant, pour une charge de calcul trés faible par rapport au calcul des rayons propres.

4

-

TRAITEMENT DES SICNAUX EN RECEF'TION

Les signaux retenus actuellement sont des rampes linéaires de fréquence ("chirp") de 1.58 Hz autour de 260 Hz et de durée 80 S. Le principe utilisé pour le traitement des signaux est celui de la corrélation du signal reçu avec une copie du signal émis. avant détection et mesure du temps d'arrivée. Cette méthode très classique permet en théorie d'obtenir un gain de rapport signal/bruit pour la détection de 10 log(T) (T étant la durée du signal), et procure une précision de mesure de temps de l'ordre de la largeur du lobe principal de la fonction d'ambiguité du signal, soit 1/6f pour la fonction d'ambiguité sin(2n6ft)/2nôft d'un "chirp" de largeur fréquentielle 6f démodulé autour de sa fréquence inférieure en l'absence d'effet DOPPLER. Dans la pratique, la phase des signaux reçus étant rendue aléatoire par la propagation, on effectue une ''double'' corrélation (combinaison quadratique des fonctions de corrélation avec le signal de référence original et en quadrature) qui permet de retrouver le niveau maximal pour le pic principal de corrélation quelle que soit la phase du signal reçu, mais au prix de l'élargissement du lobe principal à 2/6f.

En présence de plusieurs trajets le problème se complique. et est B rapprocher de celui de la réponse en corrélation d'une cible sonar ou radar $ points brillants multiples pour un signal "chirp" [7]: il s'avère que la présence de plusieurs arrivées de signaux non séparables au sens de la fonction d'ambiguité peut provoquer un comportement catastrophique de la fonction de corrélation. Pour les signaux SOFAR et en particulier

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pour leur séquence finale où les arrivées sont spécialement nombreuses et serrées, ce comportement peut être modélisé B l'aide d'une distribution statistique classique : la conjonction de plusieurs signaux d'amplitudes comparables et de phases aléatoires aboutit B un signal résultant d'amplitude instantanée obéissant B une loi de RAYLEIGH. et de caractéristiques fréquentielles très semblables B celles du signal origina1;ceci est dQ B la faible durée des retards (7 ^sB 1000 km) par rapport B celle du signal (80 s) et B la lenteur de la modulation de fréquence (environ 0.02 Hz/s). Cette description reste valable pour des portions de la séquence totale de trajets multiples. On donne fig.4 un exemple de corrélation quadratique réalisée sur un signal SOFAR simulé obtenu il partir de 300 trajets multiples, en l'absence de bruit.

Le comportement du corrélateur pour de tels signaux peut alors étre interprété B partir de cette description. Des simulations numériques font apparaître que la moyenne des maxima en sortie du corrélateur est égale B celle obtenue avec un signal retardé d'amplitude constante et donné par la valeur énergétique moyenne de la sommation des signaux "utiles" arrivant dans la durée du lobe principal d'ambiguité. ce qui est un résultat intuitivement satisfaisant.

Le modèle d'énergie moyenne décrit plus haut prend ici tout son intérêt pour l'évaluation des performances d'un corrélateur dans de telles conditions: le maximum en sortie du corrélateur est obtenu pour la portion temporelle de la séquence d'arrivée donnant un niveau maximal dans le lobe principal d'ambiguité; pour un signal SOFAR ce maximum correspond évidemment B un instant proche de la fin de la séquence. Le niveau maximal en sortie du corrélateur est alors distribué autour de la valeur correspondant B l'énergie moyenne selon une loi de RAYLEIGH. On sait que la perte (en termes de S/B pour des performances en détection données) induite par ce type de comportement est négligeable lorsque la probabilité de détection pd est fixée B

0.5.

mais est par contre assez notable lorsque les performances sont plus exigeantes: environ

7

dû pour pd = 0.9 et pfa = 0.005, valeurs spécifiés pour le système de détection des flotteurs.

Le traitement par corrélation permet donc de bénéficier de la structure du chenal SOFAR, par la sommation énergétique des trajets dans la portion finale de la séquence. Il est imparfait dans la mesure où l'énergie ainsi récupérée n'est qu'une partie de l'ensemble du signal SOFAR, d'autant plus faible que la séquence est longue (i.e. que la distance correspondante est importante).

L'utilisation dans ce contexte d'un corrélateur écrêteur (ou B coïncidence de polarité) ne semble pas recommandable. Si ce type de corrélateur n'introduit qu'une dégradation minime par rapport B un corrélateur idéal sur un trajet isolé (d'environ 1 dû à faible S/B d'entrée) il en va tout autrement en présence de trajets multiples: on fait apparaître sur simulations que le niveau de corrélation de chaque arrivée est alors diminué dans un rapport égal B celui de son énergie sur celle des autres trajets qui interviennent donc comme du bruit additionnel. Ce phénomène intervient surtout pour les configurations à trajets séparables et faible bruit ambiant, mais peut également affecter des signaux SOFAR. On donne fig.4 un exemple simulé de corrélation après écrêtage.

REFERENCES:

[l] ROSSBY, T., DORSON. D. & FONTAINE, J., "The RAFOS System", J.Atm.0cean.Tech.

3

⁽¹⁹⁸⁶⁾

672-679

[2] NORTHROP. J. & COLBORN, J.G. "SOFAR channel axial sound speed and depth in the Atlantic Ocean" , J.Geophys .Res. 79(36) (1974) 5633-5641

[31 WESTON, D.E., "Acoustic flux methods for oceanic guided waves", J.Acous.Soc.Am.

68(1)

(1980) 287-296 I

[4] SMITH, P. W. "Average sound transmission in range dependent channels"

.

^J^.Acous.^Soc.^Am.

5 (1974) 1197-1207

[51 BREKHOVSKIKH, L. & LYSANOV. Yu., "Fundamentals of ocean acoustics", Springer-Verlag

( 1982)

[6] LURTON, X . "Application de la modélisation géométrique de la propagation acoustique sous-marine en petits fonds et hautes fréquences", 12th GRETSI (1989)

[7] NUTTALL, A.H. "Linear FM correlator response for multiple targets ; mismatched reference and signal amplitude modulations", NUSC Tech. Rep. 7543 (1985)

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. .

Rayons propres (à 200 km) et réponse impulsionnelle ( à 1000 km) pour un chenal SOFAR Atl.Sud.

P e r t e s moyennes de propagation SOFAR (f=260 Hz) e t durée d e s t r a j e t s m u l t i p l e s .

Enveloppe d'un s i g n a l SOFAR reçu $ 1000 km, c a l c u l é e p a r é n e r g i e moyenne ( à g . ) e t p a r rayons propres ( à d . , env. 200 rayons, de 950 à 1050 km).

Fig. 4 S o r t i e d e c o r r é l a t i o n quadratique s u r s i g n a l SOFAR simulé (sommation de 300 t r a j e t s , non b r u i t é ) : c o r r é l a t i o n i d é a l e (à g . ) e t après é c r ê t a g e (à d . ) .