14^ème COLLOQUE GRETSI - JUAN-LES-PINS

Moments des signaux sonores en milieu marin aléatoire - Modélisation des fluctuations par un bruit blanc gaussien ; extension au cas du bruit blanc large bande. 

• C. Noël
• M.C. Pélissier
• D. Habault

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde ; mcpel@isitv.univ-tln.fr 
• CNRS/ LMA  31 Chemin J.Aiguier - 13000 Marseille

RÉSUMÉ

Le problème de l'évaluation de l'intensité et de la cohérence du signal sonore reçu par les systèmes de détection sous-marine est résolu en milieu déterministe. Dans cette étude on introduit une composante aléatoire dans la célérité du milieu modélisant les fluctuations aléatoires du milieu marin. Pour caractériser ces effets du milieu sur la propagation sonore, l'estimation des moments du champ sonore est nécessaire.

 On rappelle les équations de propagation des moments du champ sonore en milieu aléatoire en présence d'un bruit blanc gaussien (perturbations du milieu marin dues aux ondes internes) ; équations de propagation paraboliques des moments du champ sonore obtenues par Tatarskii. L'obtention de ces équations peut être généralisée dans le formalisme de Itô. De plus alors, l'application du théorème limite de Papanicolaou-Kohler permet d'affaiblir les hypothèses sur l'indice de réfraction et d'estimer le domaine de validité des équations paraboliques des moments.

ABSTRACT

Underwater acoustic signals received on an antenna are influenced by random oceanic fluctuations. The aim of this study is to characterize this influence by means of determining signal moments, intensity, and vertical coherence of the sound field. 

Ito's formalism is used in [1] to generalize the derivation of parabolic equations for all the moments of the sound field under assumption of white gaussian noise for the index of refraction. Ito's formalism is well adapted for relaxing the hypotheses of gaussian white noise; application of the Papanicolaou-Kohler theorem allows one to extend the validity of the numerical results to less restrictive hypotheses on the medium fluctuations for various estimated ranges of propagation.

2^nd European Conference on Underwater Acoustics 1994

Adequacy of the modeling of sound speed fluctuations for the purposes of ocean acoustics

• C. Noël
• M.C. Pélissier

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde ; mcpel@isitv.univ-tln.fr

ABSTRACT

It has been shown [C NOEL Propagation des signaux sonores en milieu marin aléatoire Thèse de doctorat - 1993 - Univ. Aix-Marseille II.] that sound speed fluctuations due to internal waves may significantly affect sound propagation in the ocean. In recent oceanographic publications, models of such fluctuations usually rely on statistical parameters as quadratic mean, power spectrum, orders of magnitude, correlation length and time. We underline in a first way the reality of these hypotheses from in-situ measurements of celerity realized in Mediterranean sea in 1990. Then we use such characteristics to build a generator of sequences of fluctuating celerity profiles, which are used as inputs in our sound propagation code based on a Monte-Carlo technique.

We have checked the adequacy of these hypotheses from in-situ coupled oceanographic-acoustic measurements obtained in the Norway sea in 1985. The procedure is the following: we first extract from the celerity measurements their statistical characteristics and generate artificial celerity profiles to compute acoustic pressure as stated above. Then we compare the numerical results with the measured pressure.

The results are found to be in good agreement. The in-situ celerity profiles can thus be considered as one realization of the modeled random process, as far as sound propagation is concerned. This validates our assumptions on medium fluctuations.

NATO conference. Full field Inversion Methods in Ocean and Seismo-Acoustics

Study of the signifiance of an improvement in tomography methodology through a joint assessment of arrival angles and times.

• C. Noël
• F. Evennou
• Y. Stéphan
• M.C. Pélissier

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• Military Center for Oceanography. E.P.S.H.O.M. - BP 426 - 29275 Brest Cedex - France
• - idem -
• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde ; mcpel@isitv.univ-tln.fr

RÉSUMÉ

Le problème de l'évaluation de l'intensité et de la cohérence du signal sonore reçu par les systèmes de détection sous-marine est résolu en milieu déterministe. Dans cette étude on introduit une composante aléatoire dans la célérité du milieu modélisant les fluctuations aléatoires du milieu marin. Pour caractériser ces effets du milieu sur la propagation sonore, l'estimation des moments du champ sonore est nécessaire.

 On rappelle les équations de propagation des moments du champ sonore en milieu aléatoire en présence d'un bruit blanc gaussien (perturbations du milieu marin dues aux ondes internes) ; équations de propagation paraboliques des moments du champ sonore obtenues par Tatarskii. L'obtention de ces équations peut être généralisée dans le formalisme de Itô. De plus alors, l'application du théorème limite de Papanicolaou-Kohler permet d'affaiblir les hypothèses sur l'indice de réfraction et d'estimer le domaine de validité des équations paraboliques des moments.

ABSTRACT

The purpose of this study is to theoretically evaluate the performances of such an array in a fluctuating medium by means of arrival time-angle diagrams.

First, suitability of using the eikonal approximation to monitor the sound speed structure in a fluctuating ocean and especially to probe meso-structure in the North-East Atlantic Ocean is discussed. Then, a study of the evolution of tomographic parameters: travel time, temporal spreading, temporal resolution, angular density, based on ray theory is conducted through a synthesis of recent theoretical and experimental studies. Its aim is to quantify and precisely define  the undesirable effects induced by the fluctuating medium. These results will be compared with those of a statistical study, and then efficiency of an array processing dealing with a joint assessment of arrival angles and times will be investigated. Finally some general features of the feasibility of this improvement are pointed out from these first parametric results and some particular conclusions are given in the case of the North-East Atlantic ocean.

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OSATES 

Significance and Feasibility of a Joint Assessment of Arrival Angles and Times in Experimental Tomography Methodology 

• C. Noël
• C.Viala
• F. Evennou
• Y. Stephan

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
• Military Center for Oceanography. E.P.S.H.O.M. - BP 426 - 29275 Brest Cedex - France
• - idem -

RÉSUMÉ

Cette étude a pour but de fournir une synthèse des effets du milieu sur l'efficacité des techniques de traitement d'antenne en milieu perturbé et tout particulièrement dans le cas de l'Atlantique Nord-Est.

Une synthèse des connaissances actuelles doublée d'une approche paramétrique vise à améliorer la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu et à spécifier la validité des théories utilisées pour traiter le problème de la propagation des signaux tomographiques en milieu marin aléatoire. Elle permet d'évaluer théoriquement les ordres de grandeur des perturbations causées sur les paramètres inversibles de la tomographie.

Une seconde approche statistique basée sur des simulations numériques en Atlantique Nord-Est permet de vérifier les ordres de grandeur précédents, d'augmenter et d'affiner les informations concernant l'étalement angulaire.

La finalité de ces deux parties est de fournir un diagramme conjoint temps-site en Atlantique Nord-Est. Ces résultats servent de base à la discussion finale de cette étude visant à conclure sur l'intérêt d'une antenne pour estimation conjointe temps-site en tomographie.

ABSTRACT

The purpose of this study is to theoretically evaluate the performances of a vertical array in a fluctuating medium by the mean of arrival times-angles diagrams.

First, pertinence of using the eikonal approximation to monitor the sound speed structure in a fluctuating ocean and especially to probe meso-structure in the North-East Atlantic Ocean is discussed.

Then, a study of the evolution of tomographic parameters: travel time, temporal spreading, temporal resolution, angular density... based on rays theory is conducted through a synthesis of recent theoretical studies and a parametric approach. Its aim is to quantify and precisely define  the undesirable effects induced by the fluctuating medium.

These results are compared with those of a statistical study, and then efficiency of an array processing dealing with a joint assessment of arrival angles and times is investigated

15^ème COLLOQUE GRETSI - JUAN-LES-PINS

Impact d’une houle aléatoire sur les caractéristiques des trajets sonores en milieu marin. 

• C. Noël
• C.Viala
• F.B. Sturm

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
•  

RÉSUMÉ

Le modèle RAYSON de propagation des signaux sonores en milieu marin évolutif a été adapté à la prise en compte d’une surface variable. Des simulations numériques et statistiques de la variabilité de la surface sont réalisées dans le but d’en quantifier l’impact sur la géométrie des rayons propres, leur angle d’arrivée, leur temps de trajet et leur intensité.

On présente tout d’abord une synthèse de l’existant et une justification du procédé utilisé pour décrire les divers phénomènes de surface dans un modèle de propagation par rayons. L’accent est mis sur les phénomènes de houle.

Un jeu de configurations des paramètres acoustiques est défini en regard des intérêts actuels de la Défense en terme de connaissance de l’environnement. Les phénomènes de surface sont introduits soit par simulation numérique à partir des spectres d’élévation de surface, soit à partir de mesures in-situ. Un ensemble de situations statistiques est constitué à partir de diverses réalisations de la surface. Le logiciel Rayson calcule les paramètres des trajets propres pour chacune des configurations définies.

15^th International Congress on Acoustics

Ocean acoustic tomography experiment using a vertical array 

• C. Noël
• C.Viala
• F. Evennou
• Y. Stéphan

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
•  E.P.S.H.O.M. - Centre Militaire d'Océanographie - BP 426 - 29275 Brest Cedex - France
• - idem -

RÉSUMÉ

An acoustic tomography experiment, supported by European MAST contracts, has been carried out in the all occidental Mediterranean sea. During 10 months in 1994, acoustic phase shift keying signals have been emitted at a pulse rate of 1 per 4 hours and received by seven sources- receivers localized in the all basin and spaced by several hundred kilometers.

In addition, signals from two of these sources localized near Corse and Sardinia were received on a vertical array moored at 800m depth near Nice. So, it means a joint assessment of arrival angles and times of acoustic signals and a useful improvement in general problem of identification of acoustic paths.

Signals received on 16 hydrophones of this 40 meters long array were recorded and processed to extract propagation time and arrival angle of each ray path. This paper reports the results of the analysis of these last data records and discuss observation of wave fronts at each hydrophone depth, tractability and study of arrival times as a function of time and angle.

3^ème Journées d’études ACOUSTIQUE SOUS-MARINE

Réception de signaux tomographiques sur l’antenne verticale de Cap Ferrat : expérimentation Ferrat 94.

• C. Noël
• C.Viala
• F. Evennou
• Y. Stephan
• M. Alombert
• L. Chauvin

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
• Military Center for Oceanography. E.P.S.H.O.M. - BP 426 - 29275 Brest Cedex - France
• - idem -
• D.C.N. Toulon. CTSN/DLSM - 83800 TOULON Naval
• - idem -

RÉSUMÉ

Le présent papier présente l’expérimentation qui s’est déroulée en Septembre 1994 sur le site de la DCN de Saint Jean Cap Ferrat.

Cette manip a consisté tout d’abord à réaliser quinze jours durant l'acquisition sur l'antenne verticale du Cap Ferrat des signaux tomographiques émis jusqu'en septembre 1994 par les prestataires d'un contrat MAST (Université de Kiel, Ifremer Brest, Cephag Grenoble) sur un projet de tomographie acoustique de la Méditerranée.

Elle a été motivée par les difficultés rencontrées lorsque l’on cherche à identifier les trajets sonores reçus à l’aide d’informations concernant uniquement les temps de trajets. En effet, certains trajets ayant des trajectoires différentes, et ayant donc échantillonné spatialement l’océan de manière différente peuvent arriver au même instant et ne pas être par conséquent temporellement séparables. Une information angulaire permettrait alors de lever le doûte. Les installations de la DCN de Saint Jean Cap Ferrat étaient équipées d’un nombre suffisant d’hydrophones pour pouvoir conduire une expérimentation significative sur la mesure des angles d’arrivées des rayons sonores.

Les objectifs de cette expérimentation étaient donc de vérifier à partir de mesures réelles, le gain d'une estimation conjointe temps-site par rapport à une estimation uniquement temporelle, des réceptions de signaux tomographiques dans un but d'identification des trajets sonores.

Les signaux mesurés ont été ensuite traités temporellement et angulairement afin d'établir les diagrammes temps-site mesurés et les résultats ont été analysés du point de vue de l'identification de trajets acoustiques.

Les allures générales des résultats des mesures correspondent à celles prédites par la théorie.

L’analyse des diagrammes Temps-Site et de leurs suivis au cours de la campagne montre que l’antenne permet de séparer angulairement des pics d’arrivée arrivant simultanément.

3rd European Conference on Underwater Acoustics 1996 - Crête

Study of transient signals propagation. Application to risk assesment 

• C. Noël
• C.Viala
• G. Goulet
• P. Quetel

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
• D.C.N. Toulon. CTSN/DLSM - 83800 TOULON Naval
• - idem -

ABSTRACT

In order to adjust sonar equation to transient signals, we study the effect of underwater acoustic propagation on that kind of unstationnary signals. In particular the problem is to characterize distortions induced on received signal by multiple paths: temporal spread, attenuation, morphing.

To study distortion due to propagation it is first necessary to modelize ocean medium as a linear filter characterized by its impulse response well adapted to the case of transient signals. 

A propagation model is used to determine transfer function of the medium. Because transient signals present a large spectrum from high frequencies to low ones, a ray program tracing is used and this model has been first improved to be able to take into account low frequencies with corrections in caustics area.

The propagated signal is then obtained by a convolution product between the source signal and the impulse response.

This developed tool is used to conduct a study of the impact of the ocean medium on the impulse response. This parametric study is realized over a set of typical operational configurations and families of measured transient signals. Width and level of this impulse response which appeared to be interesting criteria to describe distortion are studied in addition to the coherence between propagated and emitted signal.

The synthetized results are taken into account in the transient sonar equation giving more precise information on the detectability of transient noises.

4^ème Congrès Français d’Acoustique

Analyse de l’impact des effets de surface sur la réponse impulsionnelle du milieu marin

• C. Noël
• C.Viala
• B. Garbail-Picon

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
•  - idem -
•  - idem -

RÉSUMÉ 

Disposant d’un modèle 2D de la propagation du son par une méthode de rayons, nous l’avons adapté à la prise en compte d’une surface aléatoire variant dans l’espace et le temps. Considérons alors deux rayons issus de la source et arrivant sur la surface en des instants différents; l’inclinaison de la surface ayant changé entre les instants d’impact des deux rayons, ceux-ci repartiront après réflexion sur la surface avec des caractéristiques spatio-temporelles différentes.

Des simulations numériques ont été réalisées afin de quantifier l’impact d’une surface aléatoire sur la géométrie des rayons, leur temps de trajet, leur intensité ainsi que sur la réponse impulsionnelle.

Des profils de houle simulés ont été obtenus d’une part par inversion de spectres analytiques empiriques de houle, d’autre part en décrivant les profils spatio-temporels de houle par assimilation de données de surface réelles obtenues directement à partir de mesures réalisées par des bouées de houle. Pour des échelles Beaufort allant de 5 à 11, 50 réalisations de surfaces aléatoires sont déterminées. Les caractéristiques acoustiques sont calculées pour chacune de ces réalisations. Les résultats sont analysés statistiquement.

Afin de valider sur données réelles cette méthode statistique on utilise des signaux télémétriques, donnant directement la réponse impulsionnelle du milieu marin pour divers états de mer, obtenus et déjà traités lors d’expérimentations antérieures conduites par Semantic. Ceux-ci sont confrontés aux résultats de la méthode statistique développée précédemment.

Cette étude est justifiée par l’importance des phénomènes de houle sur la propagation engendrant une gêne non négligeable pour les opérationnels et un besoin de quantification de ces effets dans des cas typiques.

Progress In Electromagnetics Research Symposium 1997

Generation of the response statistics for electromagnetic propagation problems in a random range-dependent  medium : A direct stochastic approach.

• E. Mandine
• M.C Pélissier

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde; mcpel@isitv.univ-tln.fr

ABSTRACT

The effects of atmospheric turbulence on electromagnetic wave propagation can be simulated by adding appropriate random fluctuations to the mean deterministic refractive index profile. The aim of the study is to characterize the moments of the system response. In a standard approach, the mean electromagnetic field can be obtained via a Monte Carlo method and a random profile generator. [1, 2] This method is known to permit an accurate description of the turbulent process, but on the other side requires many indenpendant simulations.

In this work, starting with a parabolic electromagnetic propagation model, we derive a stochastic partial differential equation (SPDE). From this SPDE, using stochastic calculus rules, and more precisely Ito formalism, we can derive directly the (deterministic) partial differential equations of ALL the moments. [3]

The mean electromagnetic field (first moment) is then proved to be the solution of a modified parabolic equation (MPE) very closely related to the initial PE. A slight modification in the existing code CORAFIN thus allows a direct computation of the first moment of the system response. In opposition with the Monte Carlo method which requires moreover than a hundred tries, a single a computation is sufficient here, In vacuum, the results appear to be in very good agreement with those obtained by Tatarsky using an other formalism.

The mathematical assumptions on the random process representing the turbulence are exposed and analysed with care. We show that a realistic turbulent medium description, using Kolmogorov theory results and accurate structure constant models is possible. The obtained mean electromagnetic field coverage is then compared with the Monte Carlo method results. This comparaison shows also a good agreement between the two approaches.

Partial differential equations for the second and following moments can also be derived, but their complexity is increasing and specific codes are to be constructed for their numerical treatment. At last an extension of the method to more sophisticated 2D turbulence spectra is under development.

 REFERENCES :

 [1] Mandine, E., ans M.C. Pelissier, "Construction d'un Generateur de Profils aleatoire - Application a la Propagation Radar en Milieu Turbuelent", 15eme colloque GRETSI, Juan Les Pins, September 1995.

[2] Mandine, E., ans M.C. Pelissier, and C. Giannilevigne : "Radar Propagation in a Turbulent Atmosphere : A Random Profiles Generator" Electromagnetic Propagation Workshop, Maryland, July 1995.

[3] Mandine, E., ans M.C. Pelissier : "Direct Stochastic treatment of Electromagnetic Propagation Problems in Random Medium, Using a P.E. Model' Battlespace Atmospheric Conference'96, San Diego, December 1996.

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16^ème COLLOQUE GRETSI - GRENOBLE

Analyse des données de la campagne EVA 96. Relation des variabilités acoustique et environnementale sur le plateau continental atlantique

• C. Noël
• D. Morisset
• S. Chancel
• D. Mauuary

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• GESMA, Division Acoustique Basse Fréquence, BP 42 29240 Brest Naval, France
•  - idem -
•  CEPHAG, ENSIEG, Domaine Universitaire, BP 46 38402 Saint Martin d’Hères, France

RÉSUMÉ

L’expérimentation  EVA  (Etude de la Variabilité Acoustique, 1996) organisée par le GESMA a permis de recueillir des données de propagation et des mesures environnementales parallèles (XBT, SBE, météorologie), dans une zone petits fonds en bordure du talus continental atlantique. Les objectifs scientifiques étaient centrés sur l’estimation de l’ordre de grandeur de la variabilité acoustique en relation avec la variabilité environnementale. Les fluctuations des signaux reçus sur une antenne verticale fixe constituent le point d’intérêt de l’étude, l’émission couvrant la gamme 750-1200 Hz. Le traitement des données est réalisé en deux études parallèles: le développement d’un modèle environnemental à partir des données acquises, prélude à une simulation numérique de la réponse impulsionnelle et son analyse expérimentale (retard, amplitude du pic principal).

ABSTRACT

The experimentation EVA (Summer 96) provided the GESMA with transmitted acoustic data and environmental measurements (XBT, SBE probe, meteorology) in shallow water area in the vicinity of the Atlantic continental slope. The objective of this paper is to examine how to assess a reasonable estimate of acoustic variability in relation with environmental variability. The fluctuations of acoustic signals received on a vertical array over the range 750-1200 Hz are the main interest of the study. The data processing is divided in two parallel studies: the elaboration of a statistical model of the medium, prelude to numerical simulations of the impulse response and the analysis of experimental impulse response (main peak level and delay).

4^th European Conference on Underwater Acoustics

Underwater Trajectography system for measurement of submarine noise

• C. Noël
• C. Viala
• G. Goullet
• M. Alombert
• O. Gérard

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• - idem -
• DGA/DCE/CTSN BP 28, 83800 TOULON NAVAL France
•  - idem -
•  ANALIS Imm Arep Center, Traverse des Brucs, 06560 VALBONNE France

ABSTRACT

ALHAMBRA a new measurement system of a submarine radiated noise uses an antenna towed by another submarine or surface ship. Trajectography system is then needed to determine the position of submarines for both navigation and measurement functions. The high performance processing principle used requires a high positioning accuracy.

This paper deals with the different steps constituting the ALHAMBRA's operational trajectography system. We first recall the constraints of the distance measuring system : signals, correlation processing, recurrence, acoustic contamination of main measurements, range, accuracy, effect of multiple paths…

Distance measuring system provides 8 distances between 8 antenna hydrophones and the measured submarine. Equations of this surdetermined positioning problem in the mean least square formulation leads to a non linear system which can be put into a linear form by a variable transformation.

A high false alarm rate occurs in the case of a low signal to noise ratio which is not acceptable for array beam control. To improve this situation an iterative regression process has been developed : the coherence between the 8 measured distances is checked, if coherence is insufficient, iterative elimination of the distance is done. If less than 4 distances remain the measured point is discarded. Some results of the trajectography system are presented and characterized, as well as technology points. Further on, some development is made to compute mean speed, to predict time and speed at CPA, to take into account additional constraints such as known submarine depths.

Simplicity of the developed method achieves robustness and reliability proved at sea.

Progress In Electromagnetics Research Symposium 1998

Electromagnetic Propagation Model in a Turbulent Medium :Comparison between direct stochastic approach results and real data measurements

Submitted

• E. Mandine
• M.C Pélissier

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde; mcpel@isitv.univ-tln.fr

ABSTRACT

We have previously developed a direct stochastic method to generate the response statistics of the electromagnetic field in a random turbulent medium [1][2]. We study in this work the extension of this approach to the propagation over a randomly distributed surface.

First of all, we recall the main steps of the method : the effects of atmospheric turbulence on electromagnetic wave propagation are simulated by adding appropriate random fluctuations to the main deterministic refractive index profile. Introducing this random component in a standard parabolic equation model, we derive a stochastic partial differential equation (SPDE). From this SPDE, using stochastic calculus rules, and more precisely Ito Formalism, we can derive directly the (deterministic) partial differential equations of ALL the moments.

The mean electromagnetic field (first moment) is then proved to be the solution of a modified parabolic equation (MPE) very closely related to the initial PE. A slight modification in any existing code thus allows a direct computation of the first moment of the system response. Results are compared with those derived from a Monte Carlo method and with the analytical solution obtained by V.A. Tatarski using an other formalism, and show very good agreements between each other.

Moreover, this approach allows us to describe accurately turbulence index fluctuations along the vertical coordinate, particularly through the structure constant C_n²(z) of the turbulence process. We thus use this model in real data analysis, obtained during a RCS measurement campaign during which both meteorological and electromagnetic measures were made simultaneously. Pressure, temperature and humidity measurements, from an instrumented buoy, allow us to compute C_n²(z) profile in the lower atmospheric surface layer, using the accurate PIRAM model (developed by the CELAR). Moreover, the mean refractive profile is given either by radiosonde data, or by the meteorological mesoscale Meso-NH model outputs, developed by Meteo France : we can thus compare the different model results directly with electromagnetic data obtained by the experimental radar on a calibrated sphere.

[1] Mandine E., Pélissier M.C. : “Generation of the response statistics for electromagnetic problems in a random range dependant medium : a direct stochastic approach” Proc. PIERS’97, Boston, USA, July 1997

[2] Mandine E. “Modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques en milieu aléatoire – Application au couplage entre un modèle de prévision météorologique et un modèle de propagation de type parabolique” Ph.D. Report, Université de Toulon et du Var, France, Nov. 1997

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Revue Scientifique et Technique de la défense 1999 - 3 n°45

Propagation sonar ou radar : une approche unifiée

• M.C Pélissier
• C. Noël
• E. Mandine
• F. Sturm

• Université de Toulon - MS/ETMA - BP132 - 83957 La Garde; mcpel@isitv.univ-tln.fr
• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• - idem -
• GESMA, Division Acoustique Basse Fréquence, BP 42 29240 Brest Naval, France

Résumé

Le calcul énergétique des pertes par propagation en acoustique sous-marine, comme celui des facteurs de propagation pour la représentation des couvertures radars est fondamental pour la détection passive. Or la précision et la confiance dans les prédictions dépendent de manière essentielle de la connaissance de l’environnement et de son influence sur la propagation.

Après avoir présenté les deux problèmes (sonar et radar) on s’attache à mettre en évidence leur similitude. Cinq traits communs sont en particulier dégagés, qui vont permettre de construire des modèles d’équations aux dérivées partielles connus dans la littérature sous le nom de «modèles paraboliques». Les modèles classiques font l’hypothèse d’une symétrie azimutale de l’environnement et ne prennent en compte que les variations grande échelle du milieu océanique ou atmosphérique. Nous généralisons les modèles et présentons des résultats numériques dans trois directions : modélisation de la propagation acoustique en environnement marin variable tridimensionnel, sans hypothèse de symétrie azimutale du fond; et prise en compte des phénomènes environnementaux fine échelle dominants en sonar (ondes internes) et en radar (turbulences) par construction de modèles d’équations aux dérivées partielles stochastiques résolus directement, sans appel à des procédures de type Monte-Carlo. Dans les trois cas et en accord avec les mesures expérimentales on observe des modifications des champs bien supérieures à 5 dB.

ABSTRACT  : “Sonar or radar propagation : a unified approach”. 

Partial differential equations models describing sonar or radar propagation in realistic environments are presented here : variations of large scale characteristics of the propagation medium are considered as well as fine scale perturbations due to internal waves (ocean) or turbulence (atmosphere).

After a brief presentation of both problems (sonar and radar) we focus on their similarity. We show that, in many realistic environmental cases, it is possible to reduce Maxwell system, which accounts for radar propagation, to a scalar equation generalizing the Helmholtz equation of underwater acoustics. Both cases can thus be treated in the same way. Next, five main common features between horizontal sonar propagation and horizontal low stratosphere radar propagation problems are drawn. They allow, by simplification of the basic models, to obtain the so called «parabolic models» and to construct, on this new basis, much more efficient propagation software’s. The example of  a three dimensional wedge-shaped wave guide, in underwater acoustics propagation, is then presented, with no cylindrical symmetry. We chose to ignore here, the many theoretical and numerical difficulties we had to overcome to build the fully three-dimensional solver TRIPARADIM we use. As expected, pronounced horizontal refraction effects are shown, that cannot be taken into account by two-dimensional standard models. The effects of fine scale perturbations of the medium are then studied. We show that internal waves for sonar propagation and turbulence for radar propagation are dominant characteristics among fine scale variations. We observe too that modeling of internal waves in the first case, or of turbulence in the second case, are in deep connection, and in particular that both perturbations can be introduced as noises in the models, leading to similar stochastic partial differential equations . These noises are simulated by constructing fluctuation generators based on realistic internal waves or turbulence spectra. We then build, directly from the stochastic models, the momentum equations. As far as mean (first moment) is concerned, its equation appears to be closely related to the standard unperturbed equation, and modification of the numerical solver is then straightforward. We thus need only one calculation to achieve the type of result that would have taken 150 by a Monte-Carlo statistical approach. Numerical examples are presented, both for sonar and radar, showing, as predicted by experiments, non negligible influence of fine scales perturbations of propagation. We conclude with general considerations about mathematical modeling and numerical simulation of complex phenomena.

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JOE 1999

A study of hybrid and chaotic mid-range propagation in a double sound channel environment.

• C. Noël
• C Viala
• Y. Stéphan

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• E.P.S.H.O.M. - Centre Militaire d'Océanographie - BP 426 - 29275 Brest Cedex - France  - Phone : +332 98 22 10 85  - Email : stephan@shom.fr

ABSTRACT

This paper presents the results of the analysis of mid range propagation (~200 km) in a range dependent environment. The propagation medium is characterized by two deep sound channels. The range dependence enables energy transfer between the channels and leads to a mismatch between real data and ray predictions. To explain this mismatch, an analysis of hybrid ray propagation is presented. This analysis is completed by the interpretation in terms of chaos. This chaos is quantified in the particular case of the Bay of Biscay environment. This paper puts forward that mesoscale perturbations, as the Mediterranean outflow in the North Atlantic, can drastically affect long range propagation.

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GR2A 2002

Simulation of acoustic signal in time-varying multipath underwater channel

• C. Noël
• C. Viala
• G Lapierre

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France
• G.E.S.M.A. (Groupe d’études sous-marines de l’atlantique), BP 42, 29240 BREST NAVAL, France

ABSTRACT

This paper describes the development of a simulation tool to model underwater acoustic communication over time-varying channels. Physical parameters characterize time varying channels by integration of static parameters (kind and form of sea surface or sea bed) and variable ones (celerity, receiver moves…). RAYSON software is suitable for testing all configurations (provided rays propagation is available) and is able to deal with time variant impulse response. Performances of acoustic link could be then evaluated. This tool is particularly useful to design acoustic link, especially in defining necessary powerful and frequency band, and to evaluate environment impact on the transmission.

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Thèse de Claire Noël / PhD C. Noël / 1993

Propagation des signaux sonores en milieu marin aléatoire

• C. Noël

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France

RESUME

Le problème de l'évaluation de l'intensité et de la cohérence du signal sonore reçu par les systèmes de détection sous-marine est résolu en milieu déterministe. Dans cette étude on introduit une composante aléatoire dans la célérité du milieu modélisant les fluctuations aléatoires du milieu marin. Pour caractériser ces effets du milieu sur la propagation sonore, l'estimation des moments du champ sonore est nécessaire.

Une description des phénomènes d'environnement présents dans le milieu marin permet de déterminer les types de perturbations pouvant être prises en compte par les modèles déterministes, et ceux à considérer comme aléatoires. Les ondes internes sont toujours présentes et apparaissent comme l'effet perturbateur prédominant.

On généralise, dans le formalisme de Itô, les équations de propagation paraboliques des moments du champ sonore obtenues par Tatarskii: l'application du théorème limite de Papanicolaou-Kohler permet d'affaiblir les hypothèses sur l'indice de réfraction et d'estimer le domaine de validité des équations paraboliques des moments.

Trois méthodes de calculs des moments du champ sonore sont ensuite exposées: une étude statistique de type Monte-Carlo pour les moments d'ordres un à quatre, une étude numérique basée sur les méthodes paraboliques pour le moment d'ordre un et enfin, une méthode modale résolvant les équations paraboliques stochastiques du moment d'ordre deux pour aboutir à l'intensité sonore moyenne et à l'autocorrélation verticale, ou encore à la densité angulaire d'énergie. La comparaison des résultats et leur convergence permettent de valider ces méthodes. Elles révèlent que l'intensité sonore en milieu aléatoire admet des perturbations pouvant atteindre 8dB. Dans le cas de bathycélérimétries perturbées prélevées expérimentalement, on retrouve des écarts du même ordre de grandeur qui pourraient donc s'expliquer par la présence d'ondes internes.

Cette étude répond en partie aux besoins actuels quant à la détermination stochastique des premiers moments du champ sonore en milieu aléatoire à basses fréquences

Mots-clefs:

Milieu aléatoire Méthodes de Monte-Carlo Ondes internes Cohérence verticale

Propagation Equation parabolique Traitement du signal Signal sonore sous-marin

ABSTRACT

Underwater acoustic signals received on an antenna are influenced by random oceanic fluctuations. The aim of this study is to characterise this influence by means of determining signal moments, intensity, and vertical coherence of the sound field.

Environmental phenomena are reviewed in order to define and characterise the random data considered in the following study. The most important effects are generally handled by deterministic modelling. Fluctuations of sound speed resulting from the effects of internal waves constitute prevailing disturbing effects.

Itô's formalism is used to generalize the derivation of parabolic equations for all the moments of the sound field under the assumption of white gaussian noise for the index of refraction. Itô's formalism is well adapted for relaxing the hypotheses of gaussian white noise: application of the Papanicolaou-Kohler theorem allows one to extend the validity of the numerical results to less restrictive hypotheses on the medium fluctuations for various estimated ranges of propagation.

These equations are solved numerically, by finite differences, for the first moment, and by modal expansion for the second moments that lead to the mean intensity, the vertical mutual coherence, and by taking the spatial Fourier transform of the vertical mutual coherence function, to the angular spectral density. A third approach, based on the Monte-Carlo method, is used to obtain the first two moments.

Numerical results are presented and compared for these three approaches. They are in good agreement and are the same order of magnitude as a number of experimental cases.

Keywords:

Random medium Internal waves Propagation Signal processing Underwater Acoustics

Vertical mutual coherence function Parabolic equations Monte-Carlo methods

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Thèse d'Eric Mandine / PhD E. Mandine / 1998

Propagation électromagnétique en milieu atmosphérique aléatoire

• E. Mandine

• Semantic T.S. 39 ch de la Buge, 83110 Sanary France

RESUME

Le problème de la propagation électromagnétique dans un continuum aléatoire consiste à calculer les moments du champ électromagnétique – essentiellement les moments d'ordre 1 (champ moyen), d'ordre 2 (puissance moyenne) et d'ordre 4 (variance des fluctuations de puissance) – en fonction des propriétés statistiques du milieu.

Dans le cas de la propagation électromagnétique, les fluctuations aléatoires de l’indice de réfraction dues à la turbulence atmosphérique provoquent une atténuation de l’onde radar, par des mécanismes de diffusion proches du mécanisme de Bragg en diffraction optique. Ces effets deviennent particulièrement sensibles pour des fréquences radar supérieures à quelques 10 GHz, et dans les basses couches de l’atmosphère où la turbulence est généralement plus intense.

Pour modéliser ces effets, deux méthodes ont été développées à partir d’un modèle de propagation de type parabolique : dans un premier temps, une méthode de Monte Carlo nous permet de calculer le moment d’ordre un du champ électromagnétique (champ moyen). Cette méthode permet entre autres une description fine du milieu turbulent, en introduisant par exemple un degré d’anisotropie dans l’évolution des tourbillons de turbulence (longueur de corrélation horizontale très supérieure à la longueur de corrélation verticale). D’autre part, le temps de calcul de la méthode de Monte Carlo étant prohibitif, une méthode stochastique directe a été développée : le principe consiste à rechercher et résoudre directement les équations aux dérivées partielles vérifiées par les moments du champ électromagnétique, en appliquant les règles de calcul stochastique, et plus particulièrement le formalisme de Itô, sur les équations différentielles à coefficients aléatoires.