Présentation

Les systèmes sonar – qu'ils soient déployés pour la cartographie scientifique du fond marin, la détection navale sous-marine ou la mesure de l'épaisseur de la glace – doivent faire face à des conditions extrêmes de froid, de couverture de glace dynamique et de propagation sonore unique.Les défis opérationnels sont redoutables : les ondes sonar peuvent être dispersées par des quilles de glace rugueuses, absorbées par la glace de brousse, ou déformées par des changements rapides de la température et de la salinité de l'eau.

Un environnement acoustique unique des eaux polaires

La propagation du son dans les océans polaires se comporte très différemment que dans les mers tempérées ou tropicales. La colonne d'eau est froide – souvent proche du gel – créant un profil de vitesse sonore unique qui peut emprisonner l'énergie acoustique dans un conduit de surface ou provoquer une réfraction vers le bas.

Vitesse et réfraction du son

Dans la plupart des océans, la vitesse du son augmente avec la profondeur due à la pression.Mais près de la surface des régions polaires, l'eau est extrêmement froide, réduisant la vitesse du son et créant un gradient négatif. Après quelques mètres, la température peut augmenter légèrement en raison du chauffage solaire en été ou des intrusions d'eau Atlantique plus chaude, produisant une forte thermocline. Cette structure en couches penche les poutres sonar vers le haut ou vers le bas, altérant radicalement les plages de détection et créant des zones mortes.

Réverbération et Clutter de la glace

La glace de mer n'est pas une couche lisse et plate. Elle comprend de la glace plate de première année, de la glace à crêtes pluriannuelles, des pistes ouvertes et des polynyas refrozens. Chaque type diffuse le son différemment. La face inférieure de la glace est souvent rugueuse avec des quilles s'étendant de 10 à 30 mètres de profondeur. Ces quilles agissent comme des réflecteurs acoustiques puissants, générant une réverbération à haute intensité qui masque les retours plus faibles du fond marin ou des objets submergés.

Interférence multipathe

Ce bourdonnement sonore entre le fond de glace et le fond marin crée de multiples voies d'arrivée. Cet effet multipathe est particulièrement grave dans les rayons polaires peu profonds (p. ex. la mer de Beaufort, les rayons sibériens) où la profondeur de l'eau n'est que de 50 à 200 mètres.

Types et caractéristiques de la glace polaire

Pour concevoir des systèmes sonar efficaces et interpréter leurs données, les exploitants doivent comprendre les différents types de glace rencontrés dans les régions polaires.

Glace de première année par rapport à la glace de plusieurs années

La glace de première année, généralement de moins de 2 mètres d'épaisseur, a un dessous relativement lisse et moins de bulles d'air encastrées. Elle transmet mieux que la glace de plusieurs années. La glace de plusieurs années, par contre, subit de multiples cycles de gel de fonte, acquérant une surface inférieure accidentée avec des crêtes profondes et de nombreux canaux internes de saumure et poches d'air. Cette structure absorbe et diffuse significativement l'énergie acoustique.

Plombs, polynyas et zones franches

Même en hiver, les océans polaires contiennent des zones d'eau libre : les chenaux (cracks) et les polynyas (ouvertures persistantes), qui sont acoustiquement très différents des zones couvertes de glace. L'eau libre permet aux sonar de fonctionner de façon plus conventionnelle, mais la transition brusque entre la glace et l'eau crée des effets de bord et de diffraction.

Formation de la crête de glace et son impact

Les crêtes sont formées lorsque des floes de glace se heurtent. Elles peuvent s'étendre de 15 à 20 mètres au-dessus de la surface et de 20 à 40 mètres au-dessous. Pour les opérateurs de sonar, une crête est une cible massive et dure qui peut bloquer entièrement les signaux ou produire un encombre solide et stationnaire.

Défis techniques pour les systèmes sonar

L'environnement polaire rude affecte directement le matériel sonar, l'électronique et le traitement des signaux.

Durabilité matérielle en froid extrême

Les capteurs, câbles et connecteurs sonar doivent supporter des températures aussi basses que −50 °C pendant le déploiement. Les batteries perdent rapidement leur capacité; les paquets lithium-ion utilisés dans les VAV peuvent nécessiter un chauffage actif. Les éléments transducteurs peuvent se fissurer si la glace se forme sur la face du tableau. Le rainure du dôme sonar ou de la coque du véhicule augmente le bruit de flux et réduit la sensibilité.

Faible rapport signal/bruit

Les niveaux de bruit ambiant dans les océans polaires varient considérablement. Sous la glace solide, le bruit du vent et des vagues est supprimé, mais les sons biologiques (du phoque, du morse, du baleine) et le bruit anthropique (breakers, levés sismiques) peuvent être significatifs.

Doppler et rémunération pour motion

Les floes de glace qui se déplacent rapidement (jusqu'à plusieurs kilomètres par jour) provoquent des déplacements de fréquence dans les échos sonar (effet Doppler). Une quille de glace qui se dirige vers un réseau de sonar peut apparaître comme une cible à grande vitesse relative. De même, la plate-forme de sonar elle-même (navire, VA ou sous-marin) se déplace par rapport à la verrière.

Interprétation des données et faux objectifs

Les contacts sonar sous la glace sont notoirement difficiles à classer. Une crête de glace submergée, un mammifère marin et un objet artificiel peuvent produire des échos similaires. Les opérateurs comptent sur de multiples caractéristiques : la force de la cible, la profondeur, l'historique du mouvement et le contenu spectral.

Stratégies et technologies d'atténuation

Au cours des dernières décennies, des chercheurs et des marines ont élaboré une trousse de stratégies pour surmonter les défis du sonar polaire.

Systèmes Sonar spécialisés

Plusieurs types de sonar sont conçus pour les eaux couvertes de glace :

  • Sonar piézonétrant (p. ex., sonars à visée ascendante sur les amarres) utilise des fréquences basses (5–15 kHz) qui transmettent à travers la glace mince pour mesurer son épaisseur.
  • Synthétiques Aperture Sonar (SAS) utilise plusieurs pings d'une plate-forme mobile pour créer des images haute résolution avec moins de sensibilité au encloutement de glace.
  • des échosounders multifaisceaux avec de larges angles de largeur et de faisceau en temps réel peuvent cartographier le fond marin même en présence de bruit de glace, à condition que la plate-forme maintienne une attitude stable.
  • Le sonar à balayage latéral[ peut être déployé par des trous de glace, mais il faut le déployer avec soin pour éviter de s'enliser sur les crêtes.

Traitement adaptatif des signaux

Les sonars modernes utilisent un faisceau adaptatif pour éviter les interférences dans des directions spécifiques (p. ex., une quille de glace forte). Le saut de fréquence diffuse l'énergie transmise sur plusieurs bandes, réduisant l'impact du bruit en bande étroite des fractures de glace.

Fusion de capteurs et approches multiplates

Aucun capteur ne fonctionne parfaitement sous la glace. La combinaison du sonar et d'autres mesures améliore grandement la conscience de la situation :

  • L'imagerie par satellite[ (p. ex., Sentinel-1 SAR) fournit une concentration de glace et un emplacement de plomb à jour.
  • Les lasers ou les lidar des UAV peuvent cartographier la rugosité de la glace de surface pour prédire l'enclume acoustique.
  • Les magnétomètres aident à détecter des objets métalliques (p. ex., épaves, câbles) difficiles à identifier à partir du sonar seul.
  • Les modems acoustiques[ sur les UVA permettent la communication par les trous de glace et les données de relais à la surface.

Horaire opérationnel et Windows saisonnier

De nombreux relevés sonar dans l'Arctique sont effectués à la fin de l'été (août à septembre) lorsque l'étendue et l'épaisseur de la glace sont minimes. Les brise-glace permettent aux navires de recherche de s'aventurer dans les eaux de glace et les VA sous la glace avec le soutien des équipes de surface.

Études de cas et applications

Les scénarios du monde réel démontrent à la fois les difficultés et l'ingéniosité appliquées à l'opération sonar polaire.

La marine américaine mène des opérations sous-glace depuis des décennies, notamment pendant le programme SCICEX (1993-1999) et les exercices annuels sur glace (ICEx). Des sous-marins comme USS Hartford et USS Connecticut[ comptent sur des sonars à la hausse pour détecter les caractéristiques de la glace et éviter les collisions.En 2021, la marine a déployé un sous-marin dans l'Arctique dans le cadre d'ICEX 2021, testant des systèmes sonar qui peuvent cartographier la topographie tridimensionnelle de la glace en temps réel. Les exercices ICEX soulignent le besoin continu de performances sonores robustes dans le haut nord.

Cartographie scientifique des fonds marins

Les navires de recherche comme le USCGC Healy[ et le RV Sikuliaq[ effectuent des relevés multifaisceaux pour cartographier le fond marin de l'Arctique dans le cadre du NOAA Arctic Report Card[. Ces relevés utilisent souvent une combinaison de sonars montés sur la coque et remorqués. Les conditions de glace obligent à réduire fréquemment la vitesse et à ajuster le parcours, ralentissant l'acquisition de données.

Véhicules autonomes sous-marins (AUV) sous glace

Les UVA comme le WHI REMUS[ et le Nereid Under Ice[ ont révolutionné la cartographie des sonars polaires. Ils peuvent parcourir des centaines de kilomètres sous la glace, recueillant des données de profileurs latéraux et sub-fondents. En 2019, un REMUS[AUV a arpenté le dessous du glacier Thwaites en Antarctique, en utilisant un sonar de 900 kHz pour révéler des canaux basaux complexes. Cependant, ces missions nécessitent des systèmes de navigation acoustique qui peuvent fonctionner sans GPS; les transpondeurs long-base déployés par des trous de glace fournissent une localisation. WHOI Polar Research[ décrit les efforts en cours pour étendre l'endurance des UVA à des températures froides.

Exploration commerciale des ressources et des navires dans l'Arctique

Les exploitants commerciaux utilisent des sonars prospectifs (SFL) sur des navires renforcés par la glace pour détecter les glaces submergées et les dangers peu profonds. L'industrie pétrolière et gazière effectue des relevés sismiques pour cartographier la géologie souterraine, mais les systèmes conventionnels de surveillance des cours d'eau sont vulnérables à la glace. Les sonars remorqués avec des cours d'eau protégés par la glace et des réseaux de canons à air sont maintenant conçus pour couvrir partiellement la glace.

Orientations futures

L'évolution de la technologie sonar polaire s'accélère, sous l'impulsion du changement climatique, de l'accroissement de l'activité humaine et des progrès de calcul.

Apprentissage automatique pour la classification des cibles

Les réseaux neuronaux convolutionnels (RCN) formés à des images sonar synthétiques et mesurées peuvent distinguer les crêtes de glace des épaves ou pipelines avec une grande précision. Plusieurs groupes de recherche élaborent des ensembles de données libres à partir d'expériences arctiques.

Sonars à large bande à faible puissance

Les nouveaux matériaux transducteurs permettent une transmission à large bande de 1 à 50 kHz, permettant l'imagerie simultanée à haute résolution et la détection à longue portée. Ces sonars consomment moins de puissance, ce qui les rend idéales pour les missions AUV de longue durée.

Intégration avec la télédétection par satellite

Les données satellitaires en temps réel sur le mouvement et l'épaisseur de la glace peuvent être introduites dans des algorithmes de traitement des sonars pour soustraire les signatures des glaçons. La constellation RADARSAT arctique de la NASA/CSA fournira des mises à jour quotidiennes, permettant aux opérateurs de sonar de planifier des transects dans des zones où l'interférence de la glace est minimale.

Collaboration et normes internationales

En vertu de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer , les nations cartographient les plateaux continentaux étendus de l'Arctique, ce qui exige des relevés sonar multinationaux dans des conditions difficiles. Les groupes de travail et les organisations du Conseil de l'Arctique comme l'Organisation hydrographique internationale encouragent les meilleures pratiques pour les opérations de sonar polaire, y compris l'évitement des glaces, le contrôle de la qualité des données et la sécurité.

Conclusion

L'exploitation du sonar dans les milieux marins polaires demeure l'un des défis acoustiques les plus exigeants. La combinaison de la couverture de glace, du froid extrême et de la propagation du son complexe nécessite un matériel spécialisé, un traitement adaptatif des signaux et des stratégies opérationnelles flexibles. Pourtant, la nécessité de données fiables n'a jamais été plus grande – pour comprendre les changements climatiques rapides, assurer la sécurité de la navigation dans les eaux nouvellement ouvertes et protéger les intérêts de sécurité nationale dans le haut nord.