Les échosondeurs à faisceau unique (SBES) sont des instruments acoustiques actifs qui mesurent la distance par rapport au fond marin, aux limites submergées ou aux cibles proches à partir de ROV, d'AUV et d'USV. En émettant une impulsion focalisée et en chronométrant l'écho de retour, ils permettent le sondage en profondeur, l'altimétrie, le suivi du relief, la détection d'obstacles et les levés bathymétriques à faisceau unique.
Cette page présente les principaux fournisseurs d'échosondeurs à faisceau unique, proposant des modèles compacts adaptés aux plateformes sans pilote soumises à des contraintes de charge utile et de bande passante.
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Un échosondeur à faisceau unique (SBES) est un instrument acoustique actif conçu pour mesurer la distance entre un transducteur sous-marin et une limite ou une cible. Le système émet une impulsion acoustique contrôlée, détecte l’écho de retour et calcule la distance à partir du temps de trajet aller-retour et de la vitesse du son dans l’eau. Pour les plates-formes sous-marines, cette configuration constitue un outil essentiel pour cartographier les profondeurs, calculer l’altitude au-dessus des fonds marins ou garantir une marge de sécurité suffisante.
Contrairement aux systèmes multifaisceaux qui cartographient une large bande, un système de sonar à faisceau unique effectue une mesure de profondeur ou de distance le long d’un faisceau acoustique étroit, fournissant ainsi une séquence de sondages individuels le long de la trajectoire de la plate-forme. Par conséquent, la planification d’un levé par échosondeur à faisceau unique nécessite de prendre soigneusement en compte l’espacement des lignes afin de s’assurer qu’aucun élément d’intérêt ne soit omis entre deux transects adjacents. Sur les plateformes ROV, AUV et USV, la taille compacte, la faible consommation d’énergie et la simplicité de sortie des données d’un SBES en font un outil très apprécié lorsque la capacité de charge utile, l’autonomie de la batterie ou la bande passante de communication sont limitées.
Sondeur à faisceau unique Sounder S500 de Cerulean Sonar
Les échosondeurs à faisceau unique mesurent la profondeur de l’eau directement sous un navire de levé ou un véhicule sous-marin autonome (USV) en calculant le temps de transit des impulsions acoustiques réfléchies par les fonds marins. Associées à des données de positionnement précises, ces mesures permettent d’établir des profils de profondeur, des courbes de niveau et des modèles bathymétriques pour les rivières, les lacs, les canaux, les ports et les eaux côtières. Chaque transmission ne couvrant qu’une zone restreinte, les lignes de levé doivent être soigneusement planifiées afin d’obtenir une couverture adéquate et de réduire le risque de passer à côté de caractéristiques du fond marin entre des transects adjacents.
Pour les véhicules sous-marins, un sonar à faisceau unique orienté vers le bas fait office d’altimètre en mesurant la distance entre le transducteur et les fonds marins. Pour les pilotes de ROV, les données d’altitude en temps réel sont essentielles pour maintenir une distance de sécurité lors des inspections visuelles et des opérations de manipulation dans des eaux à faible visibilité. Les AUV utilisent cette mesure au sein de leurs systèmes de guidage et de contrôle afin de maintenir une altitude stable pour l’imagerie optique et la collecte de données par sonar à balayage latéral.
Les algorithmes de suivi du relief permettent à un AUV de suivre les contours du fond marin plutôt que de maintenir une profondeur constante, ce qui maintient les capteurs embarqués dans leur plage de fonctionnement optimale. L’altimètre à faisceau unique fournit un flux continu de mesures de distance à l’ordinateur de guidage du véhicule, qui ajuste les surfaces de contrôle ou les propulseurs afin de maintenir l’altitude commandée. Les mises en œuvre pratiques nécessitent une validation des données et un filtrage numérique robuste afin d’empêcher que des échos anormaux provenant de la faune marine, de matières en suspension, de pentes abruptes ou de débris ne déclenchent des réactions de commande inappropriées.
En installant un échosondeur à faisceau unique orienté vers l’avant ou latéralement, les opérateurs peuvent l’utiliser pour la mesure directionnelle de la proximité, l’alerte d’obstacles ou l’assistance à l’accostage. Le capteur ne mesure la distance qu’au sein de son faisceau acoustique étroit et ne fournit pas la forme de la cible, la couverture azimutale ni les détails spatiaux disponibles avec un sonar à imagerie. Il est donc généralement utilisé comme capteur de télémétrie d’appoint plutôt que comme seul système d’évitement de collision du véhicule. Plusieurs unités compactes peuvent être positionnées autour du véhicule afin de fournir des mesures de distance dans plusieurs directions sélectionnées.
Les petits USV équipés d’un sonar à faisceau unique sont particulièrement adaptés à la cartographie des lacs, étangs, réservoirs et habitats de zones humides sensibles, difficilement accessibles aux navires habités de plus grande taille. Outre le profilage en profondeur, les données de retours acoustiques calibrées peuvent faciliter l’interprétation des caractéristiques du fond, des couches sédimentaires ou de la végétation submergée. Les systèmes à double fréquence ou à large bande peuvent fournir des informations supplémentaires permettant de distinguer les échos de la végétation de ceux du fond sous-jacent, bien qu’une classification fiable nécessite généralement un traitement adapté, un étalonnage et des données de référence au sol.
L’installation sur un ROV nécessite un échosondeur capable de fonctionner de manière fiable aux côtés des propulseurs, des équipements hydrauliques, de l’électronique de puissance, des systèmes d’éclairage et des liaisons de communication par câble. Les considérations d’intégration portent notamment sur la résistance à la pression, la fréquence de fonctionnement, la plage de mesure, la fréquence de mise à jour, l’interface de données, la consommation électrique, la géométrie de montage et la compatibilité avec le système de commande ou de navigation du véhicule.
Le transducteur doit disposer d’un trajet acoustique dégagé et être positionné de manière à minimiser les interférences provenant du châssis du ROV, de l’outillage, des patins et des autres capteurs. Il doit également être tenu à l’écart du sillage des propulseurs et des zones où des turbulences ou des bulles entraînées pourraient disperser l’énergie acoustique, affaiblir les signaux de retour ou entraîner une perte intermittente du verrouillage au fond. La mise à la terre électrique, l’acheminement des câbles et la synchronisation avec d’autres instruments acoustiques peuvent également s’avérer nécessaires pour réduire les interférences.
Sondeur à faisceau unique D270 pour levé bathymétrique réalisé par CHC Navigation
Les AUV exigent une grande autonomie opérationnelle, une efficacité énergétique élevée et une prise de décision embarquée fiable avec une configuration de sondeur à faisceau unique. Les altimètres modernes des AUV peuvent fournir, en plus de chaque mesure de distance, des informations sur la puissance du signal, des indicateurs de qualité ou l’état de détection du fond. Le système de contrôle du véhicule peut utiliser ces données pour identifier les données non fiables ou la perte de verrouillage sur le fond, et déclencher une réponse appropriée, telle que la remontée, le ralentissement ou la modification de sa trajectoire de mission.
Sur les plateformes de véhicules de surface autonomes (USV), le transducteur est généralement intégré à la coque ou monté sur un mât rigide afin de garantir des décalages stables et mesurés avec précision par rapport à l’antenne GNSS et aux autres capteurs de navigation utilisés pour la bathymétrie à faisceau unique. L’installation doit minimiser les variations du tirant d’eau du transducteur, les vibrations, le bruit de l’écoulement et le balayage des bulles, en particulier lorsque la vitesse du navire et l’état de la mer augmentent.
Les systèmes de qualité topographique intègrent généralement des mesures de cap et de mouvement afin de pouvoir prendre en compte le soulèvement, le tangage et le roulis induits par les vagues lorsque la géométrie du levé et les spécifications de précision l’exigent. Une synchronisation temporelle précise, les mesures de la vitesse du son, les corrections de tirant d’eau, l’étalonnage du système et le post-traitement sont également essentiels pour produire des profondeurs géoréférencées fiables.
Les progrès rapides de l’électronique au niveau des capteurs et du traitement numérique élargissent le rôle des systèmes à faisceau unique sur les plateformes sans pilote.
En combinant ces capacités numériques avancées à une méthode de mesure fondamentalement robuste, les systèmes modernes à faisceau unique restent une option fiable et peu gourmande en ressources pour les applications où des mesures précises le long d’un faisceau acoustique étroit suffisent.
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