Géraldine Ménéxiadis

1. Détection à grande distance et localisation du supersonique “Concorde” à partir de signaux infrasonores Géraldine Ménéxiadis Directeur de thèse : Jean-Pierre Sessarego (LMA/CNRS) Encadrants ONERA : Jean Varnier & Philippe Delorme (DSNA/ACOU)

2. Comment localiser un avion supersonique entendu une seule fois et en un seul endroit ? BIP BIP ! ? Spécificités du problème : - source très directive - signal bref - grande distance - gamme infrasonore - situations réelles La localisation à station unique : un problème inverse inédit

3. Phénomènes physiques, méthodes pressenties Application à des cas réels Signaux « Concorde » - de Bretagne - des Landes - de Normandie - de Laponie Synthèse et perspectives Plan de l’exposé

4. Théorie du bang sonique

5. sin a = a Sillage supersonique Visualisation des ondes de choc AV et AR (M 3)

6. F(y) R Po Modèle de Whitham-Du Mond

7. P DP E R Cônes de choc et onde en N P = surpression maximale E = demi-longueur de l’onde Durée de l’onde en N : T = 2 E / V

8. FN Analyse spectrale d’une onde en N DSP Pente de l’enveloppe 1 / f ² : - 6 dB par octave f Pic de fréquence FN et pseudo-période des arches Estimateur de la distance R à la trajectoire

9. P R Bang sonique d’un aéronef selon la distance R : signal complexe onde en N onde atténuée

10. Spectre du bang sonique à grande distance DSP FS f Spectre en arches non discernable : limite de la méthode précédente

11. L’idée est de calculer la déformation de l’enveloppe du spectre de l’onde en N par l’absorption atmosphérique Absorption atmosphérique Atténuation moyenne de z = 0 à z = 60 km z f Coefficients nominaux Coefficients moyennés

12. Pente de l’enveloppe spectrale de l’onde en N : estimateur des grandes distances Déformation de l’enveloppe du spectre d’une onde en N Les enveloppes résultantes dépendent de la distance de propagation

13. c Bang sonique (onde en N) Cône de Mach Propagation atmosphérique LONGUE DUREE + GAMME INFRASONORE Signal temporel d’un vol “Concorde”, 17/03/03 Signal enregistré à grande distance

14. Signal enregistré à 300 km du “Concorde” P t Phénomène de “rumble” - oscillations de durée très supérieure à celle de l’onde en N initiale - enveloppes de forme gaussienne

15. Arrivées multiples Signal enregistré à 800 km du “Concorde” P t Durée totaleou locale du signal : estimateur toutes distances ?

16. Le supersonique “Concorde” • Données de croisière : altitude 18000 m, M = 2

17. Références expérimentales Le TSS “Concorde” est une référence intéressante en ce qui concerne les signaux à grande distance résultant du bang sonique. D < 200 km :signaux enregistrés en Bretagne D > 200 km : signaux enregistrés dans les Landes et en Normandie D > 2000 km : signaux enregistrés en Laponie Ces signaux proviennent de vols New York - Paris et New York - Londres.

18. BA002 - Décélération entre les points tournants BISKIet GUR GUR AF001 BISKI Stations de mesure Couloirs aériens du “Concorde” • - Vol British Airways BA002, • arrivéeà London Heathrow • à 22:15 GMT • - Vol Air France AF001, • arrivée à Paris Charles de • Gaulle à 16:45 GMT

19. Données de vol angle de descente, nombre de Mach Abaque de vol permettant le calcul de la descente Enregistrement de la descente vers GUR Vol de descente et décélération de M = 2 à M = 1

20. Signaux enregistrésenBretagne, France

21. DP (Pa) t (s) Signaux « Concorde » enregistrés en 1981 à Lannion, Brest et Quimper Onde en N atténuée à Lannion

22. Densité spectrale de puissance d’une onde en N proche du Concorde (M=1.55) Densité spectrale de puissance du signal enregistré à Lannion (10/02/1981) FN FS DSP (dB/Hz) DSP (dB/Hz) FN FS 0 12 0 25 Fréquences (Hz) Fréquences (Hz) Spectres d’ondes en N et du signal enregistré à Lannion • onde en N théorique recalée sur le premier minimum du spectre du signal • comparaison des fréquences pic des ondes en N :  2

23. FN FN FS FS Estimation de la distance par le rapport des fréquences pic - la droite de régression permet d’estimer la distance à l’avion - l’intensité du signal n’intervient pas

24. Z Code de rayons 3D : modèle de source

25. En présence de vent V , et sachant que , à chaque pas de temps dt, les composantes du vecteur d’onde sont : z k.c V R y x Code de rayons 3D : expression du vecteur d’onde

26. Code de rayons 3D : expression du rayon-vecteur A chaque pas de temps dt, les composantes du rayon-vecteur r sont:

27. 60 stratosphère Rayons atteignant Lannion au 1er rebond (carpette primaire) Longueur curviligne : 100 km ; Temps de trajet : 5 min

28. AF002 primaire L B Q secondaire stratosphérique 2ème rebond Carpettes de bang primaire et secondaires Vol AF002 du 10 février 1981

29. Propagation des basses fréquences Basses fréquences moins directives Théorie géométrique de la diffraction 1 kHz 6 kHz Z Rayon limite S Zone d’ombre Directivité d’un jet subsonique Onde rampante Sol Des infrasons pénètrent dans les zones d’ombre

30. Signaux enregistrésenAquitaine,France

31. Détection de la plage de signal utile Signal brut Signal filtré à 1,5 Hz

32. Analyse spectrale du signal brut Le contenu spectral de fenêtres temporelles successives suggère une structure d’échos multiples

33. BF S N N’ S N BF N’ Distance source-station 800 km Estimation de la distance de l’émission par la pente du spectre

34. Prise en compte de la rotondité de la Terre z A B O y A sol x B Surface sphérique Repère orthogonal “Terre plate” Repère géographique (Lat., Long.)Repère cartésien (X,Y)

35. Application au modèle de propagation Correction de l’azimut  d’un rayon sonore entre les latitudes 45° N et 50° N dans le plan Mercator :   + 1° pour 100 km Ouest-Est Correction du site  d’un rayon sonore pour une longueur orthodromique S projetée sur la surface du globe :   + 0,9° / 100 km en S

36. Météo prise en compte en fonction de z Z (km) 120- Données statistiques COSPAR 30- Radio-sondages Brest et Bordeaux 1,5- Bulletin ALADIN 0 - SOL

37. Tracé de rayon direct BISKI-SML Tracés directs à partir de la trajectoire de l’avion - Pour pouvoir atteindre la station de mesure, les rayons doivent être tirés au voisinage du point BISKI - Azimut d’arrivée 321° conforme à l’azimut du signal mesuré in situ - Altitude maximale de la trajectoire 44 km, longueur curviligne 800 km

38. Signauxenregistrésen Normandie, France

39. altitude  200 m C4 N.G. C1 C2 1 km C3 Configuration de la station de Flers

40. Signaux enregistrés Trois groupes d’arrivée apparents

41. Estimation de la distance du point d’émission par analyse spectrale Distance source-station  300 km

42. Fonction d’intercorrélation temporelle Recherche du maximum D t

43. Décalages temporels entre capteurs t en s On vérifie que les six temps de corrélation sont compatibles Les temps de corrélation suggèrent que le signal vient du NW

44. N.G. C4 - On fixe arbitrairement l’azimut du rayon et on calcule la célérité apparente pour les 6 paires de capteurs - L’azimut du rayon est celui qui minimise l’écart-type entre les 6 célérités calculées - La célérité apparente du rayon est la moyenne des 6 célérités  C1 C2 C3 Azimut et célérité du rayon

45. Plage Azimut Site S1 285,0° 0° vecteur d’onde S2 285,8° 0° S3 285,7° 1,3° S4 284,9° 11,7° S5 284,5° 22,5° S6 289,3° 38,6° Directions (q,f) du vecteur d’onde

46. V A B V A B Tracé de rayons rétrogrades Caractère dissymétrique de l’influence du vent : trajectoire des rayons non réversible Pour un tir de rayon rétrograde, on inverse artificiellement le sens du vent à toutes les altitudes V  - V k  - k

47. Interpolation en longitude 50°N GUR BISKI BREST FLERS TRAPPES ALADIN RSBrest RS Trappes RSBrest +RSTrappes Météo prise en compte en fonction de la longitude

48. Flers Brest GUR AF001 spots correspondant à la distance curviligne 300 km Calcul de rayons rétrogrades La série principale encadre la trajectoire AF001 : succès de la localisation en gisement-distance Confirmation par le tir de rayons directs avec le Mach local calculé sur la trajectoire réelle

49. Signaux enregistrés en Laponie, Suède

50. Données des stations de mesure Analyse in situ des séries caractéristiques du signal: recherche de corrélation temps-azimut