Les sondeurs CHIRP décryptés

Un nouveau billet sur la technologie CHIRP, acronyme de Compressed High Intensity Radar Pulse (Signal Radar Compressé de Haute Intensité).

Ce que les marques annoncent comme une innovation est en réalité une technologie assez vieille puisqu’elle est utilisée par l’armée britannique depuis le milieu du 20 ème siècle. Avec la réduction du coût de l’électronique et les hautes capacités de calculs actuelles la technologie est désormais accessible au grand public.

Les bases du son

Avant de comprendre le fonctionnement du CHIRP, je vous propose un rappel sur les bases du son :

  • Le son est une vibration qui se propage sous forme d’ondes. Le son ondule à une fréquence qui peut être audible à l’homme ou non.
  • Dans le cas des sondeurs, les sons émis sont des ultrasons, inaudibles à l’oreille humaine, ils possèdent une fréquence située entre 20kHz et 10000kHz.
  • Selon le fluide (eau, air,etc…) que le son traverse, sa célérité (vitesse) sera plus ou moins grande.
  • Dans l’eau, la vitesse approximative d’un son est de 1500m/s, dans l’air 340m/s, la vitesse peut varier légèrement selon la température et la salinité de l’eau, à noter que la fréquence ne modifie jamais la célérité.
  • Un son possède une grandeur physique nommée longueur d’onde. C’est la longueur en cm ou mètre de l’onde dans le fluide qu’il traverse (eau, air..).
  • Cette valeur dépend de la vitesse du son, de la fréquence et du nombre de cycles de sinusoïdes à cette fréquence. La durée d’un cycle de fréquence f se calcule avec la formule 1/f.
  • La résolution est la distance minimale entre deux objets nécessaire pour qu’un sondeur soit de les distinguer.

Fonctionnement des transducteurs monofréquence

Avec les sondeurs monofréquence, le transducteur émet un brève signal sonore à une fréquence fixe comme 83kHz ou 200kHz puis passe en mode réception en attendant le retour de l’onde qui a ‘rebondi’ sur les poissons et le fond. Le signal qui revient vers le sondeur, est une copie retardée et atténuée du signal émis.

Une onde courte améliore la résolution mais le signal est faible, limité en profondeur et sera pollué par des signaux parasites ce qui engendrera du bruit à l’écran.

Inversement une onde plus longue permet de mieux pénétrer la couche d’eau, de réduire le bruit mais la précision est hautement altérée.

Distance entre 2 poissons inférieure à la longueur d’onde, on verra bien 2 poissons à l’écran

Fonctionnement du CHIRP

Le principe du CHIRP est de conjuguer signal long, puissance du signal et précision…ce qui est antinomique avec ce que je viens de vous raconter juste auparavant.

Au lieu d’envoyer simplement un signal de fréquence fixe, la technologie CHIRP module un signal de fréquence fixe (nommé ‘porteur’ en physique) sur une plage de fréquences comme de 130 à 210kHz.

La modulation de fréquence créé un signal avec une ‘signature’ unique.

Modulation de fréquence

Dès que le signal revient au transducteur, il temporise pour recevoir la totalité du signal (qui est long) puis compresse le signal grâce à une fonction de corrélation entre le signal reçu et la forme de signal attendue. Le résultat en sortie de ce traitement électronique est un signal court de grande amplitude. C’est la durée en temps de cette courte impulsion qui va déterminer la résolution d’un signal CHIRP. Cette durée s’avère être approximativement égale à la durée 1/largeur de bande.

Avec cette technique on obtient une résolution (séparation de cible) non pas en se basant sur la longueur d’onde mais sur la différence des fréquences qui ont servis à la modulation (appelée largeur de bande ou bande passante).

Signal CHIRP compressé avec serie fourrier
Signal CHIRP compressé avec serie fourrier

Pour résumer:

  • Le CHIRP envoie un signal ultrason modulé sur une plage de fréquences comme pour une radio FM.
  • Ce signal modulé possède une fréquence sous-jacente fixe nommée fréquence porteuse.
  • La durée d’envoi de l’ultrason est bien plus importante qu’en fréquence fixe.
  • La longueur d’onde très importante ne détériore pas la résolution.
  • La résolution d’un signal CHIRP est déterminée par la plage de fréquences du signal modulé, plus grande est cette plage, meilleure sera la résolution.

Comparaison des résolutions théoriques CHIRP vs mono fréquence:

La précision des sondeurs mono fréquence est simple à calculer c’est approximativement :

Résolution = Longueur d’onde * Vitesse du son / 2
avec Longueur d’onde = (1 / fréquence) * nombre de sinusoïdes.

La résolution du CHIRP se calcule avec la largeur de bande:

Résolution CHIRP = Vitesse du son / (2 * Largeur de bande)

Pour un sondeur de fréquence 200kHz et de 17 cycles (donnée variable selon le constructeur); une vitesse du son à 1500m/s; la résolution est d’environ  6.5cm.
Pour un sondeur CHIRP, sur une plage de fréquence de 95 à 155 kHz, la largeur de bande est de 60kHz :
Résolution CHIRP = (1500) /(2 *60 000) = 1.25cm

Sur les basses fréquences le gain est considérable, c’est dans ce domaine que les transducteurs CHIRP sont bien supérieurs aux monofréquences.

Mon avis sur le CHIRP

La puissance de la technologie CHIRP dépend grandement de la qualité du matériel.

Les transducteurs bon marchés qui intègrent les gammes Hook/Elite TI de Lowrance sont bien moins performants que les transducteurs du leader Airmar.

Le traitement est logiciel ce qui amène à une efficacité dégradée dans le filtrage du bruit et la résolution en comparaison d’un traitement matériel. Le CHIRP haut de gamme utilise un traitement matériel/électronique qui nécessite une puissance de calcul supérieure et donc du matériel plus cher.

Avec les transducteurs Airmar, le traitement est purement électronique, bien plus efficace, le prix global d’un bon transducteur CHIRP est supérieur à 1000€… Les leaders du marché communiquent ouvertement sur les caractéristiques de leur matériel, notamment les angles, les plages de fréquences supportées et un indicateur de performance nommé Q qui se situe entre 1 et 35. Un Q élevé pour les premiers prix, un Q de 1 ou 2 correspond aux plus performants avec une puissance de signal élevée, une excellente qualité des composants électronique et une large bande passante qui garantissent une excellente résolution.

Pour conclure, le vrai CHIRP a un coût. Son intérêt principal est l’excellente résolution à basses fréquences et la puissance du signal permet d’atteindre de grandes distances. En mer ou dans les grands lacs alpins, utiliser un transducteur CHIRP apporte un énorme gain de résolution et de réjection de bruit, pour les transducteurs CHIRP premiers prix on gagne (un peu) à basse fréquence mais la révolution est très loin d’être au rendez vous et la promotion faite au CHIRP est surtout du marketing.

Que proposent les constructeurs ?

  • Chez Humminbird, un CHIRP de bonne qualité est intégré directement sur les gammes HELIX G2 avec le balayage des fréquences ouvertement communiqué et des résolutions excellentes :
    • Low CHIRP : 28-64 kHz => résolution 2cm
    • Medium CHIRP : 65-135kHz => résolution 1cm
    • High CHIRP : 135-250kHz => résolution 0.65cm
  • La série haut de gamme Humminbird Solix permet de régler la plage de fréquences à balayer. Vous pouvez ainsi utiliser sans interférences deux sondeurs sur le bateau avec des plages de fréquences différentes.
  • Chez Lowrance, les séries Hook et Elite Ti proposent un CHIRP qui n’en est pas un puisque le traitement du signal est logiciel et le spectre de fréquences limité à 10Khz. A noter que la sonde Lowrance TotalScan  regroupe le CHIRP, le StructureScan, et le DSI en un seul transducteur. Le mode High CHIRP envoie des sons autour de 200kHz et Medium CHIRP autour de 83 kHz.
  • Dans le haut de gamme, la série HDS traite aussi le CHIRP à condition d’y ajouter le boitier Lowrance SonarHub et une sonde compatible (Airmar, Raymarine, etc..)
Lowrance SonarHub
  • Chez Garmin, la règle des boîtiers est aussi respectée puisque la marque propose 3 boîtiers avec des capacités différentes, les GCV 10, GCV 25 et GCV 26 qui s’interfacent avec la gamme GPSMAP. Libre à vous ensuite de choisir une sonde CHIRP compatible. Sur la série Striker, le DownVü/ClearVü est proposé avec une largeur de bande de 40khz, la précision est de 1.87cm (435kHz-475Khz et 800kHz-840kHz).
  • Raymarine, avec sa gamme Dragonfly, propose un CHIRP de bonne qualité avec une large de bande de 60kHz pour la 2D et le DownVision qui porte la résolution à 1.25cm. Les tarifs pour cette qualité sont très compétitifs, puisque Raymarine tente de pénétrer le marché des sondeurs d’eau douce.

Pour aller plus loin:

https://fr.wikipedia.org/wiki/Compression_d%27impulsion

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