L'utilisation du sonar pour détecter et suivre les mammifères marins pour prévenir les collisions

Les impacts de navires causent de graves blessures et la mortalité, certaines espèces comme la baleine noire de l'Atlantique Nord se rapprochant de l'extinction. Pour y remédier, les scientifiques et les autorités maritimes comptent de plus en plus sur la technologie du sonar pour détecter et suivre les mammifères marins en temps réel, ce qui permet d'éviter les collisions proactives. Cet article explore comment le sonar fonctionne, ses applications dans le domaine de la surveillance marine, les défis actuels et les innovations futures qui promettent des mers plus sûres pour la faune et la navigation.

Comprendre la technologie Sonar

Sonar, acronyme de la navigation et du ranging du son, utilise les ondes sonores pour détecter, localiser et identifier les objets sous l'eau. Le principe de base consiste à émettre des impulsions acoustiques (pings) qui traversent l'eau, réfléchissent les objets et reviennent en écho. En mesurant le temps et les caractéristiques du son de retour, les systèmes sonar calculent la distance, la taille, la forme et le mouvement de la cible.

Le sonar est utilisé depuis le début du XXe siècle pour la détection sous-marine, mais son application à la biologie marine a pris de l'ampleur au cours des dernières décennies. Les systèmes modernes de sonar combinent désormais le traitement avancé des signaux avec des algorithmes informatiques pour distinguer les cibles biologiques des caractéristiques géologiques ou des débris.

Dans le contexte de la conservation des mammifères marins, le sonar sert deux objectifs principaux : détecter la présence d'animaux à proximité des navires et suivre leurs mouvements au fil du temps. Ces renseignements peuvent être intégrés dans des systèmes de soutien à la décision qui conseillent aux capitaines de ralentir, de modifier le cap ou d'arrêter les moteurs jusqu'à ce que les animaux aient dédouané la zone.

Types de sonar utilisés pour la surveillance marine

Sonar actif

Les systèmes de sonar actifs émettent leurs propres impulsions sonores et écoutent les échos qui reviennent. Ils fournissent des informations détaillées et en temps réel sur les objets voisins, y compris la distance et le roulement.

Les fréquences inférieures se déplacent plus loin mais fournissent moins de détails, tandis que les fréquences supérieures offrent une résolution plus fine sur des distances plus courtes. De nombreux systèmes modernes utilisent des réseaux à faisceaux multiples ou à faisceaux multiples pour créer des images tridimensionnelles de cibles, aidant les opérateurs à identifier les signatures d'écho distinctes des baleines et des dauphins par rapport aux bancs de poissons ou aux roches submergées.

Cependant, le sonar actif présente un inconvénient important : les impulsions sonores elles-mêmes peuvent perturber les mammifères marins. La controverse a surgi au début des années 2000 lorsque des exercices militaires impliquant un sonar actif à moyenne fréquence étaient liés à des échouages de baleines.

Sonar passif

Le sonar passif n'émet pas de sons, mais il écoute les sons naturels produits par les mammifères marins. Les baleines et les dauphins sont très vocaux, en utilisant des clics, des sifflets et des chansons pour la communication, l'écholocalisation et la navigation.

Le PAM est non envahissant et ne présente aucun risque de perturbation acoustique, ce qui en fait la méthode privilégiée pour surveiller les zones sensibles comme les zones marines protégées. De nombreux navires modernes déploient des réseaux hydrophones remorqués qui sillonnent le navire, écoutant continuellement les appels des cétacés. Lorsqu'une vocalisation est identifiée par des signatures acoustiques spécifiques à l'espèce (p. ex., le chant distinctif des baleines à bosse ou les clics d'écholocation des baleines à sperme), le système alerte l'équipage du pont.

Le sonar passif a des limites : il exige que les animaux soient vocalisés, ce qui n'est pas toujours le cas (p. ex., les animaux peuvent se reposer ou se nourrir) ; il ne peut pas non plus fournir une portée précise ou un roulement sans plusieurs hydrophones et triangulations.

Le problème de collision : échelle et espèces en péril

Les impacts de navires sont une cause de décès majeure pour de nombreuses grandes espèces de baleines. La Commission baleinière internationale (CCI) estime que des centaines de baleines sont tuées ou blessées chaque année par des navires dans le monde entier, mais le nombre réel est probablement beaucoup plus élevé en raison de la sous-déclaration.

Les collisions se produisent le plus souvent dans les zones où les voies de navigation se croisent avec les aires d'alimentation, les voies de migration ou les aires de vêlage. Les zones à haut risque comprennent le golfe du Saint-Laurent, les eaux au large du Sri Lanka, la mer Méditerranée et la côte californienne.

L'impact économique est également important : les frappes de navires peuvent endommager les hélices, les gouvernails et les coques, ce qui entraîne des réparations et des retards coûteux. Une seule frappe impliquant une grande baleine peut coûter des dizaines de milliers de dollars à une compagnie maritime en temps d'arrêt et en réparations, sans compter les sanctions réglementaires et les dommages à la réputation.

Par exemple, en 2022, un cargo qui entre dans le port de Savannah a frappé un veau de baleine droite de l'Atlantique Nord, le tuant instantanément.L'incident a incité la NOAA à imposer des restrictions temporaires de vitesse et de circulation de la route, démontrant comment une seule collision peut se produire dans l'ensemble de l'écosystème maritime.

Pour y remédier, l'Organisation maritime internationale (OMI) a adopté des lignes directrices pour l'acheminement des navires et les zones de réduction de vitesse, mais le respect de ces lignes directrices demeure volontaire dans de nombreuses régions.

Demandes de prévention des collisions

Systèmes embarqués

L'application la plus directe consiste à installer des systèmes sonar sur les navires commerciaux, qui surveillent en permanence les eaux qui se trouvent devant et le long du navire, en fournissant des alertes lorsque des mammifères marins sont détectés dans une zone de danger, généralement de 100 à 500 mètres.

Par exemple, la société Ocean Sonics a mis au point un système de sonar passif intégré utilisé par la Garde côtière canadienne. Il se compose d'hydrophones montés sur la coque et d'un classificateur en temps réel qui peut distinguer les appels de baleines du bruit de fond. Lorsqu'une détection se produit, le système envoie une alarme à l'écran du capitaine et enregistre l'événement pour analyse post-voyage.

De même, le système d'alerte aux baleines combine le suivi par satellite des baleines marquées avec les données du sonar de bord et du système d'identification automatique (AIS). D'abord déployé sur les voies maritimes de la côte Est des États-Unis, il recouvre les positions en temps réel des baleines sur les écrans de cartes électroniques, permettant aux capitaines de voir à la fois les détections de sonar et les regroupements connus à partir des relevés aériens.

Plusieurs exploitants de traversiers de la Colombie-Britannique et de l'État de Washington ont adopté de tels systèmes, signalant des réductions importantes du risque de collision.

Véhicules autonomes sous-marins (AUV) et chariots à voile

Les AUV et les planeurs océaniques équipés de sonar assurent une surveillance hors de portée des capteurs embarqués, qui peuvent patrouiller les voies de navigation, surveiller les couloirs de migration et transmettre des données de détection aux stations côtières ou aux navires par satellite, et qui sont particulièrement utiles pour surveiller les zones éloignées ou sensibles à l'environnement où la présence humaine est limitée.

Par exemple, l'Institut de recherche sur l'aquarium de Monterey Bay (MBARI) utilise des VA à longue portée avec des enregistreurs acoustiques passifs pour suivre les baleines bleues dans le Pacifique. Les données aident à délimiter l'habitat essentiel et appuient les décisions dynamiques d'acheminement des navires.

Un avantage clé des VAB est leur capacité à fonctionner en permanence pendant des semaines, ce qui permet de sensibiliser les gens à la situation en temps quasi réel et de les intégrer aux systèmes de gestion du trafic maritime, ce qui permet aux autorités portuaires de publier des « avis de vol » qui recommandent des réductions de vitesse ou des changements de route pour les navires entrants.

Intégration avec les services de trafic maritime (STM)

Les ports et les États côtiers intègrent de plus en plus les données sonar dans les services de trafic maritime (STM). Lorsque des capteurs sonar – qu'ils soient sur des bouées, des VAB ou des plates-formes terrestres – détectent des mammifères marins près des voies de navigation, l'information est transmise à un centre central de coordination.

La Société de gestion de la Voie maritime du Saint-Laurent, en partenariat avec Pêches et Océans Canada, exploite un tel système dans le golfe du Saint-Laurent. Un réseau de stations sonar fixes et passives surveille le corridor migratoire des baleines noires de l'Atlantique Nord en voie de disparition.

Surveillance en temps réel et analyse prédictive

Apprentissage automatique pour la classification acoustique

L'un des plus grands défis du sonar passif consiste à distinguer les appels de différentes espèces de mammifères marins des autres et du bruit de fond (moteurs de navires, levés sismiques, crevettes à éclater).L'analyse manuelle est longue et dépendante de l'opérateur.

Par exemple, le Centre des sciences des pêches des îles du Pacifique de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) utilise un modèle d'apprentissage profond appelé «Whale Detector» qui permet d'identifier 12 espèces de dauphins et de baleines en temps réel à partir de données hydrophones en continu.

De même, la société Greenridge Environmental a développé un système de sonar actif alimenté par l'IA qui permet de différencier la forme corporelle d'une baleine d'un sous-marin ou d'un grand poisson à partir d'une imagerie à haute fréquence.

Intégration avec l'AIS et les zones de vitesse dynamique

Les données de détection sonar peuvent être combinées avec des transpondeurs du Système d'identification automatique (AIS) à bord des navires pour créer des zones de réduction de vitesse dynamiques. Dans ce système, lorsqu'une détection de baleines est confirmée dans une zone définie, le STM active automatiquement une « zone de remorquage de baleine droite » temporaire sur des cartes électroniques, visibles pour tous les navires équipés de l'AIS.

Un exemple notable est la collaboration entre le port de Savannah, la NOAA et la Conservation des baleines et des dauphins sans but lucratif. Un réseau de réseaux de sonars passifs montés au fond dans le canal d'expédition signale les détections à un serveur nuageux, ce qui déclenche des alertes AIS. La première année, la conformité aux vitesses recommandées a augmenté de 40 % et aucune collision n'a eu lieu.

Défis et limites

Les mammifères marins distincts d'autres objets

Même avec un sonar actif avancé, il peut être difficile de distinguer une baleine d'un gros poisson, d'un sous-marin ou d'un rocher. L'écho du corps d'une baleine peut ressembler à celui d'un naufrage submergé ou d'une école dense de poissons.

L'apprentissage automatique est utile, mais les données de formation sont limitées pour de nombreuses espèces dans différents environnements océaniques. De fausses alarmes peuvent découler de rideaux à bulles, de forêts de varech ou de thermoclines. Inversement, des détections manquées se produisent lorsque des baleines plongent ou dorment près de la surface.

Le sonar passif a l'avantage de signatures acoustiques spécifiques, mais seulement si les animaux sont vocalisants. Les baleines silencieuses ou celles qui produisent des appels faibles (par exemple, les baleines à tête mince avec des sons à faible amplitude) sont invisibles à PAM.

Perturbation potentielle du bruit sonore

On a montré que le sonar actif provoque des réactions comportementales chez les mammifères marins, y compris des déplacements temporaires de seuil auditif et, dans les cas extrêmes, des échographies. La question a été portée à l'attention mondiale en 2000 lorsqu'un exercice de sonar actif à moyenne fréquence par la marine américaine aux Bahamas a coïncidé avec l'échouement de plusieurs baleines à bec.

Pour réduire au minimum les perturbations, de nombreux systèmes fonctionnent à des fréquences situées à l'extérieur de l'aire de répartition auditive sensible de l'espèce cible (p. ex., au-dessus de 200 kHz pour les baleines dentées) et utilisent des faisceaux directionnels pour limiter l'exposition. Néanmoins, des évaluations des impacts environnementaux sont nécessaires avant de déployer un sonar actif dans des habitats sensibles.

C'est pourquoi de nombreux groupes de conservation préconisent le sonar passif comme principal outil de détection, en réservant un sonar actif dans les situations où la détection passive est insuffisante, comme dans les eaux très calmes où les animaux ne sont pas vocalisables.

Plage de détection limitée dans certaines conditions

Dans les eaux peu profondes ou turbides, les ondes sonores peuvent être réfléchies ou dispersées, ce qui réduit la portée. Le trafic maritime, les tempêtes et le vent augmentent également le niveau sonore de fond, masquant les échos ou les appels faibles. Ces facteurs peuvent conduire à des lacunes de détection, en particulier pour les petits cétacés comme les marsouins qui produisent des signaux d'intensité inférieure.

Les milieux chauds comme le golfe du Mexique peuvent avoir des thermoclines fortes qui piègent l'énergie sonore, tandis que les eaux polaires froides permettent souvent une propagation à longue distance mais aussi le bruit de fissures et de ruptures de glace. Les changements saisonniers compliquent encore les prévisions.

Évolution future

Sonar d'imagerie de fréquence supérieure

Les progrès de la technologie des transducteurs permettent désormais l'imagerie sonar qui fonctionne à des fréquences supérieures à 1 MHz, offrant une résolution quasi-photographique des objets sous-marins. Ces systèmes peuvent produire des images vidéo en temps réel montrant la forme et même le mouvement des mammifères marins. Lorsqu'ils sont combinés à la reconnaissance automatique des motifs, ils promettent de réduire considérablement les fausses alarmes et d'améliorer l'identification des espèces.

La société Sound Metrics Corporation a développé le sonar d'imagerie par résolution d'adaptation (ARIS), utilisé par les chercheurs pour observer le comportement de recherche de baleines. À l'avenir, de tels dispositifs pourraient être intégrés dans les carénages de coques pour l'imagerie continue à grand angle à l'approche des navires.

IA et calcul des bords

Le traitement à bord des données sonar passe du matériel dédié aux systèmes définis par logiciel qui utilisent des modèles AI sur des ordinateurs de bord. Cela permet de réaliser des algorithmes de classification sophistiqués en temps réel sans compter sur la connectivité cloud, qui peut être indisponible ou retardée en mer. Edge AI permet également un apprentissage continu : le système peut affiner son modèle de détection en fonction des conditions acoustiques locales rencontrées pendant le voyage, améliorant ainsi les performances au fil du temps.

Plusieurs startups développent des modules sonar intelligents autonomes qui peuvent être réaménagés sur n'importe quel navire, comme un système d'évitement des collisions après-vente pour les voitures. Ces modules comprennent GPS, récepteur AIS, réseaux d'hydrophones et un petit ordinateur utilisant des modèles de détection open source. L'attente est que l'adoption généralisée permettra de réduire les coûts et d'accélérer les demandes réglementaires pour ce type d'équipement sur les grands navires commerciaux.

Fusion multicapteurs

Les futurs systèmes de prévention des collisions ne reposeront pas uniquement sur le sonar, mais ils fusionneront des données provenant de sources multiples : radar (pour la détection de surface), caméras infrarouges (pour la détection thermique des baleines à la surface), caméras visuelles (pour l'identification de jour), images satellitaires et même marquage électronique des baleines.

Par exemple, le «Shipboard Whale Detection System» mis au point par le département des Transports des États-Unis combine une caméra infrarouge tournée vers l'avant avec un sonar actif à basse fréquence et un réseau d'écoute acoustique. L'algorithme de fusion pèse le niveau de confiance de chaque capteur et produit un score de risque unifié, ce qui déclenche à son tour des alertes appropriées.

Conducteurs réglementaires et normes industrielles

En 2023, Transports Canada a proposé des modifications exigeant que tous les navires de plus de 20 mètres dans certaines zones à risque élevé transportent des systèmes PAM approuvés d'ici 2026. L'Union européenne envisage des règles similaires pour la Méditerranée et la mer Baltique. L'Organisation maritime internationale a publié une circulaire recommandant l'utilisation de « systèmes de détection recommandés à bord des navires » et encourage les ports à fournir des données acoustiques en temps réel.

Certains assureurs de responsabilité maritime offrent maintenant des rabais sur les primes pour les navires équipés de PAM et de sonar actif, reconnaissant le risque réduit de réclamations liées à des accidents. Cette incitation financière peut accélérer l'adoption au-delà de la lenteur de la réglementation.

Conclusion

La technologie Sonar est passée d'un outil de navigation militaire et de science de la pêche à un instrument essentiel de conservation marine. En détectant et en suivant en temps réel les mammifères marins, elle permet aux exploitants de navires d'éviter les collisions, protégeant à la fois les espèces menacées et les intérêts commerciaux. Sonar actif offre une imagerie précise et en temps réel des objets sous-marins, tandis que sonar passif écoute les sons naturels des baleines et des dauphins sans causer de dommages.

Des défis subsistent – des espèces distinctes, évitant les perturbations et maintenant le rendement dans des conditions variables – mais les progrès constants de l'imagerie à haute fréquence, de l'IA à bord et de la fusion multicapteurs promettent de surmonter nombre de ces obstacles. Déjà, des mises en oeuvre réussies dans le golfe du Saint-Laurent, la côte Est des États-Unis et le Pacifique Nord-Ouest ont démontré que la prévention des collisions par sonar n'est pas seulement réalisable mais efficace.

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