La capacité à détecter et suivre les sous-marins est un pilier fondamental de la sécurité maritime et de la souveraineté nationale pour de nombreuses nations. Historiquement, la marine française a longtemps dépendu de fournisseurs étrangers pour ses bouées acoustiques, des outils essentiels dans la lutte anti-sous-marine (ASM) et la surveillance des approches maritimes. Face à une présence accrue de sous-marins, notamment russes dans l'Atlantique Nord, la consommation annuelle de bouées acoustiques par la Marine nationale, oscillant entre 4 500 et 7 000 unités, ne devrait pas diminuer. Dans ce contexte géopolitique tendu, l'ambition de relancer une filière souveraine en matière d'équipements de défense navale est devenue une priorité stratégique. C'est dans cette optique que la bouée acoustique aérolargable SonoFlash, développée par Thales, s'inscrit comme une avancée majeure, marquant un tournant pour l'autonomie industrielle et technologique française. Thales, un acteur industriel de premier plan avec 17 milliards d'euros de chiffre d'affaires en 2020 et 81 000 collaborateurs dans 68 pays, a confirmé, dans un communiqué en date du 18 mars, que la Direction générale de l’armement (DGA) lui a attribué un marché de développement, de qualification et de production de cette bouée. Ce marché représente une étape cruciale pour l'établissement d'une filière nationale, la SonoFlash étant la première bouée développée et produite par Thales depuis les années 1990.
Contexte et Enjeu de la Souveraineté Industrielle en Lutte Anti-Sous-Marine
Jusqu'à présent, la Marine nationale comptait exclusivement sur l’industrie américaine pour s’approvisionner en bouées acoustiques. Les contrats passés par le ministère des Armées avec Thales en 2016, pour un montant de 8,63 millions d'euros, et en 2017, pour 8,77 millions d'euros, concernaient des contrats d’approvisionnement de bouées acoustiques de type Otan, produites par d’autres sociétés, principalement américaines. Dans ces arrangements, Thales était alors en charge d’un certain nombre de prestations d’achat, de contrôle et de livraison à la Marine nationale. Ce modèle de dépendance à l'égard de l'industrie étrangère a motivé un changement stratégique profond. En 2021, le ministère des Armées a décidé d’encourager la mise en place d’une filière souveraine, en s’appuyant sur la bouée acoustique « SonoFlash », dévoilée par Thales trois ans plus tôt. Moins de quatre ans après cette décision, la Direction générale de l’armement (DGA) a fait savoir qu’elle venait de commander à Thales « plusieurs centaines » de bouées acoustiques « au titre de l’accord-cadre SonoFlash ». Cette initiative est directement liée à l'augmentation des opérations sous-marines et aux menaces qui l'accompagnent, impliquant un besoin impératif de renforcer le niveau de protection des zones stratégiques. La bouée SonoFlash, dont le développement s’inscrit dans le cadre de la loi de programmation militaire (LPM) 2019-2025 et de la reconquête de la souveraineté industrielle nationale, représente une nouvelle génération de bouées. C’est autour de Thales qu’une dizaine d’entreprises françaises travaillent de manière conjointe au développement et à la production des bouées SonoFlash, témoignant d'un effort national concerté. La production de la SonoFlash sera d’ailleurs réalisée en partie à Brest, ancrant ainsi cette capacité industrielle sur le territoire français. Sébastien Guérémy, responsable des activités « Systèmes Sous-marins » de Thales, a souligné avec fierté que « grâce à la bouée acoustique SonoFlash et aux sonars CAPTAS et FLASH, Thales est fier de contribuer au développement de la filière française de lutte anti-sous-marine ».
La Bouée Acoustique SonoFlash : Une Nouvelle Génération Technologique pour la Détection
La technologie de la bouée acoustique a traditionnellement été scindée entre deux approches distinctes : les bouées passives et les bouées actives. Les bouées passives sont conçues pour recevoir simplement les signaux acoustiques émis par les cibles, se contentant d'écouter les bruits de propulsion ou autres émanations d'un sous-marin. Les bouées actives, en revanche, émettent elles-mêmes un signal acoustique et reçoivent ensuite l'écho de ce signal renvoyé par la cible. La bouée SonoFlash marque une rupture technologique significative en associant « le meilleur des deux ». Thales indique dans son communiqué que la SonoFlash est « à la fois active et passive ». Elle est munie d’un émetteur basse fréquence et d’un récepteur passif avec une « forte directivité ». La Direction générale de l’armement (DGA) explique que la « combinaison de ces deux capacités associée à une endurance importante permet une grande polyvalence d’emploi » de cette bouée acoustique. Cette double capacité confère à la SonoFlash une flexibilité opérationnelle sans précédent, lui permettant de s'adapter à diverses situations tactiques et environnementales. En concentrant « dix années d’innovation matérielle et digitale » dans un tube de 12,3 cm de diamètre et 91,4 cm de longueur, Thales ambitionne de « décupler le rayon d’action d’une force navale en lutte anti-sous-marine », de « surclasser toutes les bouées acoustiques existantes sur le marché » et d’« offrir aux marines un nouveau sonar polyvalent et facile d’emploi pour le pistage de sous-marins ». Bien que la SonoFlash représente une avancée majeure, elle ne remplacera pas toutes les bouées acoustiques actuellement utilisées par la Marine nationale. Ce nouveau système est appelé à « compléter les actuelles bouées acoustiques de conception anglo-saxonne ». L'an passé, le ministère des Armées a d’ailleurs lancé un appel d’offres en vue d’acquérir un maximum de 20 000 bouées acoustiques, actives (de type Otan AN/SSQ62E) et passives (de type Otan AN/SSQ 53D ou AN/SSQ 53G), sur une période de cinq ans, soulignant le besoin continu pour une gamme variée d'équipements.
Principes Fondamentaux de la Détection Acoustique Sous-Marine
L'invention se rapporte aux systèmes qui permettent de repérer de manière acoustique, à l'aide d'un ensemble de bouées sous-marines, des objets immergés au sein de la mer. Il est de notoriété publique que l'on peut repérer des objets situés au sein de la mer, tels que des sous-marins par exemple, en larguant des bouées acoustiques depuis un avion. Comme mentionné précédemment, ces bouées peuvent être passives, recevant alors simplement les signaux acoustiques émis par les cibles, ou actives, recevant alors l'écho d'un signal acoustique qu'elles ont elles-mêmes émis. Ces signaux acoustiques reçus par les bouées font souvent l'objet d'un pré-traitement. Ce pré-traitement permet, par exemple, de déterminer la direction du signal sonore reçu. Pour les bouées actives, il peut également permettre d'estimer la distance de la cible. Le signal ainsi pré-traité est ensuite transmis par voie hertzienne à l'avion largueur, ou à d'autres plateformes de réception. On peut aussi utiliser des bouées comportant des sonars actifs telles que celles décrites dans le brevet américain 3, 444, 508 délivré le 13 mai 1969 au nom de Ernest A. Granfors et Cie, ce qui démontre la longue histoire de cette technologie.
Un aspect crucial de l'exploitation d'un réseau de bouées est l'identification individuelle de chaque unité. Chaque bouée est dotée d'un code propre qui est placé dans le signal radio émis vers l'aéronef largueur. Cette codification permet de les identifier de manière sûre et de déterminer leur position par goniométrie à partir de cet avion. Dans le cas des bouées actives au sein d'un réseau multistatique, elles émettent chacune un signal acoustique codé par rapport à celui des autres bouées. Ce codage distinctif est essentiel pour pouvoir les distinguer à la réception par les autres bouées du réseau et par la plateforme de collecte des données. Chaque bouée peut ainsi recevoir les signaux émis par les autres bouées, contribuant à une image acoustique plus complète et plus robuste de l'environnement sous-marin.
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Déploiement et Plateformes d'Utilisation
Les bouées acoustiques SonoFlash entreront en service en 2025. Elles sont conçues pour être mises en fonction par une grande variété de plateformes aériennes et maritimes, qu'elles soient pilotées ou non. Les avions de patrouille maritimes Atlantique 2 (ATL-2), et plus spécifiquement l'ATL2 rénové, en seront les premiers appareils équipés. Les hélicoptères de lutte anti-sous-marine sont également des vecteurs clés pour le déploiement de ces bouées. De plus, Thales anticipe l'intégration de la SonoFlash sur des plateformes plus modernes et autonomes, telles que les drones aériens, les frégates et les drones de surface. Cette polyvalence d'emploi est un atout majeur, permettant une adaptation aux évolutions des stratégies de lutte anti-sous-marine.
Le processus de déploiement des bouées acoustiques est standardisé et efficient. Compactées dans un tube, ces bouées sont parachutées en mer depuis un aéronef, ou éjectées par un système mécanique ou pneumatique depuis une plateforme navale. Au contact de l’eau, c'est-à-dire dès l'impact avec la surface, le flotteur se gonfle et la bouée commence son déploiement. L’antenne sonar, partie intégrante de la bouée, effectue ensuite sa mission, qui peut être soit d'émission-réception dans le cas d'une bouée active, soit d'écoute pure dans le cas d'une bouée passive. Thales souligne que la SonoFlash « pourra être proposée à l’export à nos alliés pour toutes les plateformes aériennes modernes », ouvrant la voie à une collaboration internationale et à une standardisation des équipements ASM.
Le Traitement Avancé des Données : Algorithmes et Méthodologies (AGP)
Au-delà de la conception matérielle des bouées, le cœur de l'efficacité de la détection réside dans le traitement des signaux acoustiques reçus. L'Acoustic Geolocation Processor (AGP) est un traitement de données sophistiqué qui se situe en aval du traitement du signal destiné à extraire les informations de base des signaux bruts obtenus depuis les bouées. L'AGP effectue une fusion des informations ainsi obtenues à partir de ce traitement des signaux bruts. Ces informations peuvent provenir éventuellement d'autres capteurs que ceux de type acoustique, et même de capteurs extérieurs aux bouées, enrichissant ainsi la compréhension globale de la situation tactique.
Fusion des Informations et Zones de Recherche
Le traitement AGP vise à construire une représentation de la vraisemblance globale de la présence d'une cible. Pour ce faire, pour chaque case élémentaire d'une grille géographique, un rapport de vraisemblance relatif à l'ensemble des observations effectuées est calculé. La carte ainsi obtenue peut ensuite être soumise à un seuillage si l'on désire extraire un certain nombre de « contacts » pour chaque carte de vraisemblance. Ce processus s'appuie sur la définition de plusieurs zones critiques. La zone de présence possible (ZPP) est la zone géographique concernée par la constitution de l'AGP, et elle est limitée par la portée des bouées. Parallèlement, la zone des vitesses possibles (ZVP) représente le domaine des vitesses possibles pour la cible dans le plan (Vx, Vy). Pour un sous-marin, ce domaine sera, par exemple, un carré de côté de -25 m/s, 0, et +25 m/s, reflétant les capacités de mouvement typiques. Enfin, le lieu d'ambiguïté en vitesse est le domaine des vecteurs possibles de vitesse pour une cible. Ce domaine est tel que ses vecteurs vitesses donnent un décalage Doppler théorique compatible avec le décalage Doppler mesuré. Ces lieux d'ambiguïté en vitesse, ou lieux iso-Doppler, sont souvent représentés par des droites sur les cartes de traitement.
Approches de Détection de Position et Vitesse
Bien que la technique optimale pour estimer les paramètres décrivant la cible consiste classiquement à traiter conjointement la position et la vitesse, l'invention propose une approche distincte. Elle consiste à effectuer un traitement permettant de déterminer successivement la position puis la vitesse de la cible. Bien que le rapport signal/bruit ainsi obtenu soit en principe moins bon que dans la méthode optimale, cette approche est particulièrement bien adaptée au cas d'un réseau multistatique pour permettre de lever les ambiguïtés de position et de vitesse. En outre, cette méthodologie permet plus facilement de procéder à des vérifications et d'obtenir des résultats intermédiaires utilisables lors des stades intermédiaires du traitement. Les bouées actives peuvent fonctionner selon différents modes de détection. Lorsque l'on utilise le mode dit FM (Frequency Modulation), qui consiste à utiliser des impulsions à large bande, il n'est pas toujours possible de mesurer l'effet Doppler. Dans ce cas, l'invention se réduira à l'application de l'algorithme A1. En revanche, lorsque pour des bouées actives on utilise le mode dit FP/CW (Frequency Pure/Continuous Wave), correspondant à une émission de fréquence pure, le traitement est composé de l'algorithme A1 suivi de l'un des deux algorithmes A2' ou A2", pour affiner l'estimation de la vitesse. Les résultats de ce traitement aboutissent à l'obtention d'une image AGP courante, fournissant une vue instantanée des probabilités de présence de cible.
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Le traitement utilise plusieurs types de signaux et de données pour fonctionner efficacement. Les signaux clés sont notamment φ(t), qui est l'azimut apparent moyen du champ sonore reçu par la bouée, et s2 (v,t) = a (v,t), qui sont rassemblés dans un tableau. Ce tableau donne pour les différents canaux de l'analyse Doppler l'évolution temporelle du module carré moyen du signal complexe démodulé. En plus de ces signaux, le traitement utilise un certain nombre de données essentielles, en particulier les coordonnées de positionnement des bouées, qui déterminent les distances horizontales entre celles-ci, ainsi que la hauteur d'eau sur la zone concernée et l'immersion précise des bouées.
Algorithme A1 : Localisation de Position
L'algorithme A1 est spécifiquement conçu pour obtenir l'AGP des positions. Il utilise pour chaque bouée réceptrice les signaux a(t) et φ(t) qui ont été normalisés, garantissant une cohérence dans le traitement des données. L'organigramme du traitement A1 implique plusieurs étapes. Une étape cruciale est la détermination de la mesure (amplitude, azimut) relative à une case géométrique considérée, effectuée en 105. Cela peut se faire soit par « peak-picking » s'il y a plusieurs observations par case, ce qui consiste à identifier le maximum d'amplitude, soit par interpolation au centre de la case s'il y a au moins deux observations par case. Ensuite, une détermination de l'observation d'azimut associée à l'amplitude retenue est réalisée, suivie d'une détermination de la précision de localisation angulaire, laquelle dépend directement de l'amplitude observée de l'écho. Les données sont traitées de manière à ce que la moyenne mΔφ = 0 exprime que la moyenne est nulle, ce qui est une condition pour des calculs ultérieurs. En 113, un seuillage de la carte AGP des positions est effectué. Ce processus ne retient que les N cases d'indice de vraisemblance maximum, où N est un nombre fixe déterminé par les capacités de traitement des algorithmes situés en aval de cet algorithme A1. Ces algorithmes peuvent inclure la formation des cartes AGP des vitesses ou le pistage des cibles. Si plusieurs cases retenues sont contiguës, elles sont fusionnées, ne retenant alors que la case présentant l'indice de vraisemblance maximum.
Algorithmes A2 (A2' et A2") : Estimation de Vitesse
L'algorithme AGP A2 est destiné à estimer les vitesses des cibles et peut prendre deux formes, A2' et A2". Il s'applique en mode CW (Continuous Wave) et vise à donner une estimation précise du vecteur vitesse de la cible. Il est impératif que l'algorithme A2 soit précédé de l'algorithme A1, car il suppose qu'une image AGP des positions a été obtenue au préalable. Pour l'une des positions identifiées par A1, on considère, selon un principe similaire à celui de l'AGP des positions, une Zone des Vitesses Possibles (ZVP) des vitesses. Cette ZVP est typiquement une zone définie par des plages de vitesses comme Vx = ± 25 m/s et Vy = ± 25 m/s. Pour chaque bouée, un indice de vraisemblance de la vitesse est calculé en chaque case de cette ZVP. L'ensemble des cases d'indice élevé dessine alors le lieu d'ambiguïté en vitesse, souvent appelé droite iso-Doppler, pour la bouée considérée. La vitesse est alors définie comme étant celle de la case d'indice maximale sur cette carte de vraisemblance.
Les signaux a(t) et φ(t) sont utilisés dans un premier temps pour former une image AGP des positions selon l'algorithme A1. Pour les N contacts extraits de cette image AGP, on forme ensuite N images AGP des vitesses, ce qui signifie qu'une analyse de vitesse est effectuée pour chaque contact de position jugé significatif. Le contact considéré fournit, par sa position, les temps d'arrivée {ti, .., t_n, …} des signaux, qui sont des données cruciales pour les calculs de vitesse. L'algorithme A2" est le plus performant mais aussi le plus complexe des deux algorithmes de type A2. Il utilise l'ensemble des signaux issus du traitement CW pour une estimation de vitesse plus robuste. L'algorithme de fusion entre plusieurs canaux Doppler s'appuie sur la constatation que l'analyse spectrale suivant différents canaux Doppler a pour but d'accroître le rapport signal à bruit dans le canal contenant la cible.
L'algorithme A2" se déroule en trois étapes distinctes. Dans la première étape, pour un même canal Doppler et l'ensemble des bouées, on forme en 301 l'image AGP associée à ce canal, en appliquant la méthode décrite dans le cas FM/impulsionnel, c'est-à-dire l'algorithme A1. Dans ces images AGP propres à chaque canal Doppler, les cases géographiques peuvent être relativement grandes puisque la résolution de l'impulsion est faible. Une fois l'image AGPf, dans le canal Doppler considéré, obtenue, on forme en 302 un « résumé décisionnel » de cette image. Ce résumé décisionnel a pour effet de réduire l'image AGPf à un domaine elliptique, domaine auquel est attaché un indice de présence de cible. Cette procédure fait l'hypothèse que le rapport signal à bruit du maximum est mesurable à partir de l'image et que le pic du maximum suit une allure parabolique dont la détermination de la position obéit à une loi de type Woodward.
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Dans une deuxième étape, la fusion des cartes AGP des différents canaux Doppler est effectuée. Cette fusion s'opère à partir de l'ensemble des « résumés décisionnels » par sommation en 304 des cartes réduites à un domaine elliptique. Le résultat de cette sommation aboutit à une carte AGPgp globale des positions, qui intègre les informations de tous les canaux Doppler. Sur cette carte AGPgp, on détermine la position des N (N=4 par exemple) premiers maximums non corrélés par seuillage et extraction du ou des maximums en 305. C'est pour ces N premiers maximums non corrélés que l'on effectuera ensuite la fusion des informations Doppler pour déterminer la direction et le module du vecteur vitesse de la cible. Enfin, les cartes AGPd0p des vitesses sont uniquement formées pour les N maximums retenus dans la carte AGPgp des positions, intégrant les informations RSBf de l'ensemble des canaux Doppler contribuant au maximum considéré. Ici, F est la fonction décrivant la fenêtre d'analyse Doppler du traitement CW mis en œuvre. En outre, une deuxième étape du traitement implique l'intégration sur une même image des contacts extraits sur les images AGP successives précédentes, permettant ainsi de construire une trajectoire et d'affiner le pistage.