Long range detection and localization of "Concorde" airliner from infrasound signals
Détection à grande distance et localisation du supersonique "Concorde" à partir de signaux infrasonores
Résumé
The purpose of this study is to resolve an original reverse problem, i.e. the localization of a supersonic aircraft by one single measurement station. The station-to-aircraft distance is in principle unknown, but it may vary from a few tens to several hundred kilometers. The signals analyzed in the present study are generally included in the infrasound range, below 20 Hz or even 10 Hz. In the days of the first regular transatlantic flights by the Concorde, ONERA conducted a series of measures in Brittany. Their initial exploitation consisted in using the data obtained to develop an acoustic propagation code based on the ray theory. The code was amed SIMOUN and covered the three dimensions in order to be able to take account of the current weather conditions. A number of improvements were then made, including the calculation of the acoustic attenuation as a function of the frequency and taking into account the rotundity of the Earth. This was necessary because significant errors would otherwise have been made over long distances. The calculation of the acoustic level not being very meaningful at the distances mentioned above, new methods based on spectral analysis were developed. Coupled with a goniometry technique based -among others- on the calculation of time intercorrelation functions, they enable us to to localize a supersonic aircraft through bearing and distance. A first method, valid up to about 200 kilometers, is based on the divergence of the N-shaped pressure wave (corresponding to the sonic boom) according to its distance to the aircraft. This generates a modification of the arch-shaped spectrum which characterizes this wave and can be correlated with the propagation distance, provided the N wave initially emitted -specific to the speed and shape of the aircraft- is known. Another method, and much more general one, consists in evaluating the slope increase of the spectrum of the N-shaped wave, knowing that the atmospheric absorption, proportional to the distance crossed, increases with the frequency and that the disappearance of the non-linear effects also tends to increase the slope of the signal spectrum. This method seems to be valid for distances between 200 and 1000 kilometers and has the advantage of not depending on the characteristics of the sound source. In order to compensate the limitations of this method which is mainly linked up with the signal-to-noise ratio, the analysis of the signals recorded in Sweden 3000 kms away from the aircraft suggest the use -in the case of long distances- of a method based on the total duration of the signal. This duration actually increases along with the distance because of the well known “rumble” phenomenon which turns the impulse signal of a thunderbolt into a roll of thunder.
L'objet de cette étude est la résolution d'un problème inverse inédit, à savoir la localisation d'un avion supersonique à partir de signaux acoustiques enregistrés par une station de mesure unique. La distance de l'aéronef à la station de mesure est a priori inconnue, mais peut varier de quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres ou davantage. Les signaux exploités à l'occasion de ce travail se situent généralement dans la gamme infrasonore, au-dessous de 20 Hz voire de 10 Hz. L'ONERA ayant mené des campagnes de mesure en Bretagne lors des premiers vols commerciaux transatlantiques de l'avion Concorde, les premières exploitations ont consisté à reprendre les données de ces campagnes et à développer à cette occasion un code de propagation acoustique basé sur la théorie des rayons. Le code de l'ONERA existant SIMOUN a été adapté en trois dimensions pour pouvoir tenir compte de la météorologie réelle et a reçu un certain nombre d'aménagements, dont le calcul de l'atténuation acoustique en fonction de la fréquence et la prise en compte de la rotondité de la Terre dont la négligence aurait entraîné des erreurs importantes aux grandes distances. Le calcul de niveau acoustique étant peu significatif aux distances considérées, des méthodes inédites basées sur l'analyse spectrale ont été développées. Associées à une technique de goniométrie basée notamment sur le calcul des fonctions d'intercorrélation temporelles, elles nous permettent de localiser l'avion supersonique en gisement-distance. Une première méthode, valable jusqu'à 200 kilomètres environ, est basée sur la divergence en fonction de la distance à l'aéronef de l'onde de pression en N correspondant au bang sonique. Il en résulte une modification du spectre en arche caractéristique de cette onde qui peut être corrélée avec la distance de propagation sous réserve de connaître l'onde en N initialement émise, reliée à la vitesse et à la géométrie de l'avion. Une seconde méthode beaucoup plus générale consiste à évaluer l'augmentation de la pente du spectre de l'onde en N, sachant que l'absorption atmosphérique, proportionnelle à la distance parcourue, augmente avec la fréquence et que la dissipation des effets non-linéaires a également tendance à augmenter la pente du spectre du signal. Cette méthode semble convenir pour des distances comprises entre 200 et 1000 km environ et présente l'avantage d'être indépendante des caractéristiques de la source sonore. Afin de pallier aux limitations de cette méthode, principalement liées au rapport signal sur bruit, l'analyse de signaux enregistrés en Suède à 3000 km de l'avion suggère d'utiliser pour les très grandes distances une méthode basée sur la durée totale du signal. Cette durée augmente en effet avec la distance, en rapport avec le phénomène classique de "rumble" qui transforme en roulement de tonnerre le signal impulsionnel émis par un coup de foudre.
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