Entendre la lumière : le DAS pourrait révolutionner le sous-marin

David R. Strachan est un analyste de la défense et fondateur de Strikepod Systems...

26 janvier 2023

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Au cours de l'été 2020, un groupe de scientifiques marins de l'Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) basé sur l'archipel du Svalbard a détecté avec succès les vocalisations de baleines à fanons gambadant dans l'océan Arctique et la mer du Nord, à quelque 70 à 90 kilomètres de là. À première vue, cela peut sembler quelque peu banal, étant donné que les chercheurs surveillent régulièrement le comportement des baleines et que le chant des baleines est connu depuis longtemps pour parcourir de grandes distances. Mais ce qui rendait cet ensemble particulier d'observations spécial, c'était le capteur de choix. Ce n'était pas un hydrophone, l'outil de confiance du commerce de la bioacoustique marine. Au lieu de cela, il s'agissait d'impulsions lumineuses transmises à travers 120 km de câble sous-marin à fibre optique reliant les villes de Longyearbyen et Ny-Ålesund.

Les scientifiques de NTNU ont utilisé une technologie relativement nouvelle et innovante connue sous le nom de détection acoustique distribuée, ou DAS, qui repose sur la fibre optique pour détecter les ondes de pression émanant de l'activité acoustique ou sismique. À l'aide d'un dispositif spécialisé connu sous le nom d'interrogateur, des impulsions lumineuses sont envoyées le long d'une fibre "sombre" inutilisée à des intervalles connus. Lorsque la lumière rencontre de minuscules défauts dans la fibre, une partie est réfléchie vers l'interrogateur (phénomène connu sous le nom de rétrodiffusion de Rayleigh). Comme les ondes de pression d'une émission acoustique imposent des "nano contraintes" à la fibre, elles provoquent des fluctuations de la lumière réfléchie. Ces fluctuations peuvent ensuite être analysées et, à l'aide d'un traitement avancé du signal, traduites en une signature acoustique unique résultant non seulement de la détection, mais aussi de l'identification et même de la localisation de la source. Lorsque le DAS est utilisé dans un environnement marin, les défauts le long de la fibre agissent essentiellement comme de minuscules hydrophones, transformant une longueur de câble à fibre optique en un réseau de capteurs à grande ouverture. Et puisque les ondes acoustiques peuvent pénétrer le fond marin, les fibres de détection n'ont pas besoin d'être entièrement exposées à la colonne d'eau pour être efficaces. Certains segments du câble utilisé dans le projet NTNU ont été enfouis sous un à deux mètres de sédiments.

Considérant qu'il y a 785 000 miles (1,2 million de kilomètres) de câbles sous-marins tendus à travers le globe, le DAS représente une percée significative dans l'observation des océans. Au lieu de s'appuyer sur des capteurs acoustiques et sismiques discrets parsemant le fond marin, les fibres sombres logées dans des câbles sous-marins n'importe où peuvent désormais être réutilisées comme des réseaux de capteurs de plusieurs kilomètres, équipés de l'équivalent de milliers d'hydrophones capables de détecter à la fois le bruit biologique et anthropique. En plus des vocalisations des baleines, le DAS a détecté avec succès les navires de surface, les tremblements de terre, les vagues de surface et les tempêtes océaniques lointaines, et pourrait même agir comme un système mondial d'alerte aux tsunamis. Compte tenu de sa capacité à fournir un vaste réseau de capteurs persistants déjà positionnés dans l'immensité des océans, le DAS offre un potentiel considérable dans les opérations de défense sous-marine, en particulier en fournissant une couche supplémentaire de couverture de surveillance, en suivant à la fois les cibles de surface et de sous-surface. Le DAS pourrait détecter et suivre les navires de guerre de surface, augmentant ainsi les renseignements recueillis auprès d'autres plates-formes ISR telles que les satellites et les avions. En plus de détecter les navires en transit, le DAS peut également détecter les sons des systèmes de positionnement dynamique, indiquant que des opérations sur les fonds marins sont en cours.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'article de recherche Eavesdropping at the Speed ​​of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic, disponible sur https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2022.901348/full#B54

Sous la surface, il existe des applications pour la guerre sous-marine. Pour le moment, le DAS semble optimisé pour détecter les émissions à basse fréquence (même dans la gamme des millihertz), et bien que les sous-marins modernes émettent dans la gamme des basses fréquences, ces émissions sont également de faible intensité - selon des estimations open source non classifiées, quelque part entre 95 et 110 décibels, ce qui n'est que légèrement supérieur au bruit ambiant de l'océan environnant à environ 90 décibels. Étant donné qu'un décibel est une mesure logarithmique (c'est-à-dire que chaque augmentation de 10 décibels représente une multiplication par dix de la puissance acoustique, 20 décibels, 100 fois, 30 décibels, 1000 fois), par rapport aux gémissements d'une baleine bleue de l'Atlantique Nord, qui peuvent dépasser 180 décibels, les sous-marins habités génèrent beaucoup moins de puissance acoustique.

Mais à plus courte distance, les émissions sous-marines peuvent être plus détectables, en particulier par les fibres qui reposent à la surface du fond marin. En fin de compte, le DAS peut fournir davantage une défense de barrière de guerre anti-sous-marine (ASW) qui est confinée à de plus petites régions de l'espace aquatique, plutôt qu'un système de détection et de suivi à longue portée. Il existe également des applications pour la défense des fonds marins. Si l'on considère les types d'activités qui seraient associées à la guerre des fonds marins - la falsification des câbles, la guerre des mines, la mise en place, l'exploitation ou la destruction d'infrastructures sous-marines - le DAS pourrait jouer un rôle dans la détection, l'identification et la localisation des menaces.

Bien qu'actuellement optimisé pour la détection à basse fréquence, le DAS a la capacité de détecter également les émissions à haute fréquence, telles que celles générées par les actionneurs et les propulseurs des véhicules, ainsi que les technologies de navigation, d'imagerie et de communication sous-marines. Une étude du MIT de 2020 a révélé que les petits AUV génèrent des émissions intenses dans la plage de 15 à 24 kHz, qui peuvent être de 10 à 45 décibels au-dessus du bruit de fond ambiant.† Un DVL typique émet entre 400 et 600 kHz, tandis que SAS émet entre 60 et 120 kHz. Les échosondeurs émettent à des fréquences élevées et à des niveaux d'intensité plus élevés, allant de 185 à 230 décibels.

Et bien que le système de propulsion d'un submersible tel qu'un véhicule de livraison de nageur (SDV), un UUV à grand déplacement (LDUUV) ou un UUV extra-large (XLUUV) puisse générer un son de faible intensité, il peut être possible de détecter ses émissions à basse fréquence si elles proviennent à courte distance.

L'activité de construction sous-marine génère des ondes acoustiques et sismiques à basse fréquence, de sorte que le bruit associé à la mise en place de structures de fond marin telles que des stations énergétiques, des stations d'accueil AUV ou des réseaux de capteurs serait facilement détectable par DAS. Les unités de capteurs en chute libre atterrissant sur le fond marin pourraient générer un "microséisme" détectable - une onde sismique généralement associée à de petits tremblements de terre. Les mines larguées par l'air, s'écrasant à la surface de l'océan et s'arrêtant sur le fond marin, généreraient probablement de puissantes ondes acoustiques et sismiques. Le DAS pourrait potentiellement aider à la cartographie des champs de mines, en fournissant des points de données supplémentaires pour aider à accélérer les opérations de lutte contre les mines. Et alors que la Russie continue d'aller de l'avant avec le développement de l'AUV à propulsion nucléaire Poséidon, le DAS pourrait jouer un rôle important dans un système intégré d'alerte avancée et de défense lointaine sous-marine, fournissant un ISR ou relayant les données de ciblage aux véhicules intercepteurs.

Bien que le DAS soit très prometteur pour les applications de défense, il a des limites, du moins pour le moment. Sa portée effective, par exemple, est d'environ 50 à 100 kilomètres en raison de l'atténuation de la lumière réfléchie lors de son trajet dans les deux sens, de sorte qu'un réseau DAS à grande échelle nécessiterait une sorte d'amplification. Un réseau de défense DAS intégré impliquerait de comparer des échantillons sonores à une base de données de signatures acoustiques connues afin d'identifier les menaces et de faire la distinction entre les cibles légitimes et les fausses alarmes. Ainsi, un volume élevé de mesures et de renseignements électromagnétiques actuels et opportuns (MASINT) sera nécessaire pour que le DAS aide à détecter et à identifier les menaces sous-marines émergentes. "Et en plus de la quantité de données MASINT requises, le volume considérable d'intelligence acoustique (ACINT) généré par DAS sera également décourageant."

Le projet NTNU, par exemple, a généré environ sept téraoctets de données par jour, soit près de 250 téraoctets au cours de l'étude. Néanmoins, même avec ces défis, le DAS a le potentiel d'influencer grandement la défense sous-marine. Avec un réseau de capteurs prêts à l'emploi, à faible coût et nécessitant peu d'entretien, déjà en place dans tous les océans du monde, le DAS trouvera probablement bientôt sa place dans les inventaires de défense des amis et des adversaires.

Source † Railey, K ; DiBiaso, D; Schmidt, H. Une méthode de télédétection acoustique pour la rotation de haute précision des hélices et l'estimation de la vitesse des véhicules sous-marins sans pilote, The Journal of the Acoustical Society of America. 2020, 148, 3942.

À propos de l'auteur : David R. Strachan est un analyste de la défense et fondateur de Strikepod Systems, une société de recherche et de conseil stratégique axée sur les systèmes sous-marins autonomes.