Présentation

La communication sous-marine demeure l'un des défis les plus exigeants en ingénierie sans fil.Les propriétés physiques de l'eau – densité élevée, salinité, gradients de température et particules en suspension – sont à l'origine d'une atténuation rapide des ondes électromagnétiques, tandis que les signaux acoustiques, bien que moins atténués, souffrent d'une propagation multipathale sévère, de bruit ambiant et d'une bande passante limitée.La conception de réseaux d'antennes efficaces (ou de réseaux de transducteurs sous-marins) est essentielle pour surmonter ces obstacles, permettant une transmission fiable des données pour des applications allant des opérations pétrolières et gazières en mer aux systèmes de surveillance du climat et de défense des sonars.

La chaîne acoustique : défis fondamentaux

Contrairement à la propagation terrestre de l'espace libre, le canal acoustique sous-marin présente un environnement uniquement hostile. Les ondes acoustiques se déplacent à environ 1500 m/s, cinq ordres de grandeur plus lents que les ondes radio, ce qui entraîne de grands retards dans le temps et des déplacements de Doppler. Le canal est également très réverbérant : les signaux réfléchissent hors des lignes de surface, de fond et de thermocline, créant des dizaines d'arrivées multipathologiques qui abîment le signal en temps et en fréquence. Ces effets limitent la bande passante utilisable à des dizaines de kilohertz, généralement entre 10 et 50 kHz pour les systèmes à moyenne portée, et encore moins pour les transmissions à longue portée.

Principes de conception de base pour les antennes sous-marines

Géométrie et configuration de l'array

Les tableaux linéaires sont populaires dans les systèmes sonar remorqués en raison de leur simplicité et de leur capacité à former des poutres étroites dans une dimension. Les tableaux planaires (réseaux rectangulaires ou carrés) offrent une direction bidimensionnelle et sont souvent utilisés dans les sonars montés sur la coque. Les tableaux circulaires et cylindriques offrent une couverture azimutale à 360 degrés, ce qui les rend idéales pour les véhicules sous-marins autonomes (AVA) qui doivent fonctionner sans connaissance préalable de la direction de la cible. Les tableaux volumétriques (p. ex., les tableaux sphériques ou imbriqués) ajoutent une résolution d'élévation et sont utilisés dans les systèmes d'imagerie acoustique avancés. Le choix de la géométrie dépend de l'application, des contraintes d'espace et du champ de vision requis.

Espacement des éléments et lobes de grattage

Pour un tableau uniformément espacé, l'espacement doit être inférieur ou égal à la moitié de la longueur d'onde de la plus haute fréquence d'intérêt pour éviter les lobes de grille (alias spatial non désiré). Dans la pratique, les réseaux acoustiques sous-marins fonctionnant à 10–50 kHz utilisent des espacements compris entre 1,5 cm et 7,5 cm. Cependant, en raison de la large bande passante fractionnelle de nombreux signaux sous-marins, les concepteurs utilisent souvent des réseaux clairs ou imbriqués qui échangent la largeur de lobe pour réduire les niveaux de lobe latéral.

Les principes fondamentaux de la formation

Pour les signaux à bande étroite, le faisceau de changement de phase se formant dans le domaine de fréquence est équivalent. Les fabricants de faisceaux adaptatifs plus sophistiqués, comme la réponse minimale sans distorsion de la variation (MVDR) ou le faisceau de capon, utilisent les statistiques de signal reçues pour supprimer les interférences provenant de directions autres que la direction de l'aspect. Ces méthodes sont particulièrement efficaces dans les environnements sous-marins où le champ sonore est spatialement non stationnaire. Des recherches récentes du Journal IEEE of Oceanic Engineering ont démontré que le faisceau adaptatif peut améliorer la sortie SNR de 10 à 15 dB dans un canal typique multipathe à eau peu profonde.

Durabilité des matériaux et de l'environnement

Les éléments transducteurs sont généralement encapsulés dans du polyuréthane ou du néoprène pour assurer l'étanchéité tout en maintenant la transparence acoustique. Les matériaux de boîtier pour le cadre et les connecteurs du tableau comprennent le titane, l'acier inoxydable (316L) et les plastiques de haute qualité. La compensation de pression à l'aide de chambres remplies d'huile ou de vessie à gaz est nécessaire pour les déploiements en eau profonde au-delà de 1000 mètres. Les pénétrations et les connecteurs de câbles doivent respecter les normes MIL‐C‐24217 ou les normes équivalentes pour assurer la fiabilité à long terme.

Types de transducteurs et éléments d'antenne

Hydrophones

Les hydrophones sont les éléments les plus courants dans les réseaux acoustiques sous-marins. Ils convertissent les variations de pression acoustique en signaux électriques, utilisant généralement des céramiques piézoélectriques telles que le titanate de zirconate de plomb (PZT). Les hydrophones modernes peuvent atteindre des sensibilités de –170 dB re 1 V/μPa avec une largeur de bande s'étendant de quelques hertz à plus de 100 kHz. Les capteurs vectoriels – combinaisons d'un hydrophone de pression et d'un capteur de vitesse des particules – gagnent en traction parce qu'ils peuvent résoudre la direction d'arrivée avec un seul élément, permettant des tableaux compacts avec moins de canaux.

Antennes dipolaires pour la propagation électromagnétique

Bien que les méthodes acoustiques dominent, certaines applications nécessitent une communication électromagnétique (EM) pour les écarts à courte portée ou en plein air. Les antennes dipolaires magnétiques (coules) sont préférées dans l'eau de mer parce que les champs magnétiques subissent une atténuation plus faible que les champs électriques. Les réseaux de boucles magnétiques typiques fonctionnent dans la gamme de 1 à 100 kHz avec des plages de 10 à 100 mètres. Ces réseaux sont utilisés dans les systèmes de communication plongeurs et la charge sans fil sous-marine.

Résonance et alignement à large bande

Les réseaux à large bande utilisent soit des éléments simples fortement amortis, soit plusieurs éléments résonants décalés en fréquence (p. ex., un tableau de 16 éléments couvrant de 8 à 50 kHz). La conception doit gérer soigneusement le compromis entre sensibilité et bande passante, souvent en utilisant des couches assorties ou des matériaux de support pour contrôler le facteur Q.

Amélioration de la réception des signaux : techniques et avantages

Sensibilité directionnelle et réduction du bruit

En dirigeant le réseau vers la source et en plaçant des valeurs nulles dans la direction de puissants interférants, un réseau peut réduire sensiblement le bruit ambiant. En eau profonde, le champ de bruit ambiant est relativement isotrope, de sorte qu'un réseau de 10 éléments peut fournir environ 10 dB de gain spatial. Dans l'eau peu profonde, le bruit est souvent directionnel (p. ex., transport de surface), permettant aux réseaux adaptatifs d'atteindre 15 à 20 dB de rejet d'interférence.

Atténuation des risques multiples par la diversité spatiale

Une chaîne d'antenne bien conçue peut séparer les différents chemins d'arrivée par leur angle d'arrivée (AoA). Par exemple, une chaîne verticale de lignes peut distinguer un rayon directement réfléchi en surface d'un rayon réflecteur en bas. En utilisant une approche par récepteur de râteau dans le domaine spatial, le tableau peut combiner de façon cohérente les chemins les plus forts tout en éliminant les échos retardés. Cette technique, connue sous le nom d'égalisation spatiale, a été montrée pour doubler le taux de données réalisable dans des conditions multipathes sévères, selon une étude dans Technologie sous-marine.

Renforcement des capacités et des capacités en matière de RNS

Pour un réseau à éléments N, la puissance du signal augmente en N2, tandis que la puissance sonore (non corrodée) ne croît que linéairement avec N, ce qui donne un gain de réseau de 10 log10(N) dB. En pratique, les imperfections des éléments et les couplages mutuels réduisent ce gain, mais un réseau de 16 éléments permet généralement de réaliser 10 à 11 dB de gain. Cette augmentation de SNR se traduit directement en une capacité de canal supérieure, en des taux d'erreur de bits plus faibles ou en une plus grande portée de communication.

Études de cas et applications

Systèmes de communication sous-marins

Les sous-marins modernes utilisent des réseaux linéaires remorqués pour la détection passive et la communication. Ces réseaux peuvent contenir des centaines d'éléments espacés à intervalles de demi-longueur d'onde, permettant des faisceaux extrêmement étroits (fraction d'un degré) pour la communication vers le haut cachée vers les bouées ou les aéronefs. Le réseau doit être remorqué silencieusement à des profondeurs supérieures à 300 mètres, nécessitant des tuyaux remplis d'huile et des interconnexions flexibles étanches.

Véhicules autonomes sous-marins (AUV)

Les véhicules AUV tels que les véhicules REMUS et Bluefin utilisent de petits réseaux planaires ou cylindriques pour la navigation (position acoustique) et la télémétrie des données. La taille physique du véhicule limite l'ouverture du réseau à quelques centimètres, ce qui limite la résolution spatiale. Pour surmonter cela, les ingénieurs utilisent des techniques d'ouverture synthétique : le réseau est déplacé à travers l'eau et les données des positions successives sont combinées de façon cohérente pour former une ouverture virtuelle de plusieurs mètres de long. Cette approche a été démontrée avec succès dans le REMUS AUV pour la cartographie du plancher marin et la communication sous-glace.

Réseaux de capteurs océanographiques

Les observatoires océaniques à grande échelle (p. ex. l'Initiative des observatoires océaniques) déploient des réseaux de lignes verticales fixes suspendus aux bouées de surface. Chaque réseau peut contenir 10 à 20 hydrophones couvrant 100 mètres de colonne d'eau, reliés à la rive par fibre optique. Ces réseaux effectuent une tomographie acoustique pour mesurer la température et les profils de courant, et servent également de passerelles de communication pour les modems sous-marins. La diversité en profondeur permet une communication très robuste car le réseau peut toujours trouver un chemin de propagation favorable, même lorsque la réfraction thermocline modifie les chemins de rayon.

Technologies avancées et orientations futures

Tableaux adaptatifs et cognitifs

Les réseaux d'adaptation mettent à jour en permanence leurs poids de formage de faisceau en fonction des statistiques de signal entrant, réagissent aux sources mobiles, changent les champs de bruit et varient les voies multiples. Les réseaux d'adaptation vont plus loin : ils détectent l'environnement (en utilisant des classificateurs d'apprentissage automatique pour distinguer le bruit des navires du bruit biologique) et ajustent leur configuration – en fonction de l'espacement, de la fréquence, du faisceau – en vol. Des projets comme le Office of Naval Research , le programme Communications sous-marines adaptatives ont démontré des réseaux cognitifs qui doublent le débit dans les zones de trafic lourd.

Apprentissage automatique pour le baming

Au lieu de calculer explicitement les poids des retards et des sommes, un réseau neuronal convolutionnel peut être formé sur un grand ensemble de données d'enregistrements d'hydrophones pour produire des vecteurs de direction qui maximisent le SNR post-combinaison. Les premiers résultats montrent que le faisceau DNN basé sur le MVDR dépasse les performances conventionnelles lorsque le tableau a moins d'éléments que nécessaire pour le rang d'interférence, situation courante dans les petits réseaux de VAB. Cette approche réduit également les frais généraux de calcul parce que le réseau neuronal peut être mis en place sur du matériel FPGA de faible puissance.

Miniaturisation et intégration des UVA

La tendance vers des VA plus petits et moins chers exige une miniaturisation du réseau sans sacrifier les performances. Les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) fabriqués par microusinage au silicium, sont développés avec des dimensions inférieures à 1 mm. Ils peuvent être intégrés dans des patchs conformes sur la peau du véhicule. De plus, les progrès récents dans les polymères piézoélectriques flexibles (p. ex. PVDF) permettent d'imprimer le tableau sur un substrat flexible qui enveloppe autour d'une coque cylindrique, créant un tableau échelonné à 360 degrés. De telles conceptions réduisent la traînée, simplifient le déploiement et réduisent le coût.

Systèmes hybrides Acoustiques/EM

Les réseaux acoustiques excellent à longue portée mais souffrent de latence et de faibles taux de données; les réseaux EM offrent une largeur de bande supérieure (jusqu'à mégahertz) mais ne fonctionnent que sur de courtes distances. Les réseaux hybrides intègrent les deux types d'éléments dans le même paquet physique, permettant un passage sans faille entre les modes acoustique et EM. Par exemple, un robot d'inspection sous-marine peut utiliser un faisceau de faisceaux acoustiques pour un positionnement à longue distance (plusieurs kilomètres) et passer ensuite à un tableau EM pour le transfert de données à haute vitesse (10 Mbps) lorsque dans les 20 mètres de la station d'accueil. Le contrôleur de réseau choisit automatiquement le mode optimal basé sur la qualité et la portée du signal. Ces réseaux bimodes sont en cours de développement par de multiples firmes d'ingénierie et sont censés devenir standard dans les dorsales sous-marines de nouvelle génération.

Conclusion

La conception de réseaux d'antennes pour la communication sous-marine est une entreprise multidisciplinaire qui s'appuie sur l'acoustique, l'électromagnétisme, la science des matériaux, le traitement des signaux et l'apprentissage de plus en plus automatique.Les défis uniques du canal sous-marin – multipathe, bruit, bande passante limitée et contrainte mécanique – exigent des compromis prudents dans les algorithmes de géométrie, de type d'élément et de traitement des réseaux.