PRESENTATION DU SYSTEME NICOLA
Quand il sera au point, Le Système Nicola sera utilisable comme un nouveau Système de communication pour les secours dans le Gouffre Berger. Graham Naylor décrit le système et les nouveaux progrès.
Par Graham NAYLOR (BCRA CAVE RADIO & ELECTRONIC GROUPE)
Traduction R. POUGET
Présentation :
Le Système NICOLA a été réalisé en Isère (région de France ou se trouvent les cavités du Vercors et de la Chartreuse) pour être utilisé comme système de communication entre la surface et le sous sol. Ce travail a été réalisé grâce à la participation de l’ADRASEC 38 (une association de Radio Amateurs qui apporte son aide en communications radio aux services de secours — l’équivalent du Britannique RAYNET), et plusieurs spéléos anglais (Paul Mackrill, Paul Rice, et moi-même). Le développement de ce système de communication a été fait à la demande de l’équipe départementale de secours spéléo (SSSI). La tragique montée des eaux dans le Gouffre Berger en 1996, fut la cause principale de la perte de deux vies. (Torda Istvan et Nicola Dollimore). Nick Perrin, (l'époux de Nicolla), fut à l'origine d’une fondation destinée à financer des recherches pour développer un système de communication utilisable dans les cavités souterraines et particulièrement pour transmettre un message d’alerte dans le Gouffre Berger.
L’importance de rapides communications pour transmettre l’état des victimes, (bilan médical), a été mis en évidence depuis longtemps par les équipes de secours Françaises (Note du traducteur : en France la médicalisation d'urgence se fait dans un premier temps sur le lieu même de l'accident). Spécialement en Isère ou le retour à la surface peut prendre plus de dix heures dans certains réseaux souterrains.
Suivant d’autres fructueux travaux réalisés dans le même but en Suisse, Grande Bretagne, USA et Canada, nous avons construit quatre radios pour la Spéléo en utilisant le schéma original d’un émetteur récepteur basse fréquence en bande latérale unique publié par John HEY. Les deux premiers prototypes ont été utilisés pour démontrer le principe, et les deux suivants furent réalisés sur un niveau de qualité plus élevé par F6EGY. C’est ces derniers appareils qui sont actuellement stockés dans les locaux de la CRS des ALPES prêts à partir pour un secours d’urgence). Ils comportent un simple amplificateur en pont utilisant deux TDA2006 qui pilotent un transformateur similaire à celui que Rob Gill décrivait récemment (Gill, 1998). L’efficacité des courants telluriques a été démontrée à 87 Khz verticalement à travers 500m de roche dans le Gouffre Berger et horizontalement à travers 900m de roche à la Dent de Crolles tel que Jean-Jacques FAUCHEZ de l’ADRASEC 38 le rapportait dans le dernier journal du GREG (Fauchez, 1998a) et conformément au cahier des charges qui a été défini par SSSI pour assurer des communications a travers 500m de roche.
Technique :
Les conditions de variations de la qualité d’une liaison pour les communications radio suivant la distance sont multiples.
1 — La réalisation de bonnes connections de terre
2 — Le couplage de la puissance de sortie
3 — La nature des strates de roches entre l’émetteur et le récepteur.
4 — Le bruit de fond
La maîtrise de tous ces éléments est nécessaire pour obtenir une liaison fiable. Ceci a été l’objet du développement du " Système Nicola ". J’aimerais vous décrire dans ses grandes lignes les techniques que nous avons utilisé.
Connections de terre :
Réussir de bonnes connections est essentiel pour obtenir un maximum de signal à l’entrée du récepteur. Sans entrer dans les détails du mécanisme du transfert de puissance, nous pouvons être assuré que quand nous augmentons le courant injecté dans le sol nous augmentons le niveau du signal reçu. Ainsi réduire la résistance de terre améliore le couplage du signal.
Il y a eu de nombreuses diffusions d’articles sur la résistance entre des électrodes enfoncées dans un support de média homogène. Malheureusement, nos terrains de travail ne sont que rarement des médias particulièrement homogènes. En pratique, une bonne connexion de terre ou la résistance entre les électrodes devrait faire moins de 500 Ohms, devrait pouvoir être réalisée si de solides piquets sont enfoncées dans de la terre humide ou dans de la boue en surface. Sous terre, de la tresse électrique enfoncée de la même façon dans la boue, ou lancée dans une flaque d’eau donnera le même résultat. Par contre, une tresse bourrée dans une fente ou une fissure de rocher ne donnera qu’un médiocre contact.
Les exigences pour établir d’aussi bonnes connexions dans un passage sec nous a amené à réfléchir sur la façon de réaliser les contacts. Nous pouvons atteindre de très basses impédances résistives en couplant le courant dans le sol par l’intermédiaire des capacités réparties le long du fil du dipôle lui même plutôt qu’en un seul point au niveau de l’électrode, car la conjonction des lignes des courants telluriques dans la zone de cette électrode produit une sorte d’étranglement et augmente de façon spectaculaire la résistance. La composante réactive de la capacitance peut-être annulée aux radio fréquences en utilisant une série d’inductances.
Cette technique a été utilisée pour démontrer l'amélioration des communications à travers 500 m de roches par couplage capacitif sur du sol très sec. Ceci a été obtenu en utilisant une inductance réglable à mi longueur sur un seul fil d’antenne, donc en principe, on pourrait espérer qu'une inductance sur chaque fil d’antenne devrait donner de meilleurs résultats. L’inductance a été soigneusement construite avec une relativement grande valeur (plusieurs milli Henrys), mais nous avions malgré tout une faible capacité parasite résiduelle à la fréquence utilisée. Nous avons construit de la même façon un réseau d’inductances en connectant plusieurs selfs ( supérieur à 10mH à 1,6 mH, + supérieur à 10, 840 micro Henry à 10, 120 micro Henry). Cette technique n’a pas, toutes fois été adoptée pour nos opérations, le réglage par inductances étant à la fois une onéreuse et inacceptable complication. En outre, le voltage à la résonance spécialement quand nous augmentons la puissance de sortie, atteint probablement un niveau plutôt élevé (autour de 10 Kv !) et potentiellement mortel. Une récente publication dans ce journal du CREG sur ces problèmes de sécurité en a parlé. — Dans un environnement humide, comme un lac ou une rivière souterraine, le voltage admissible de sécurité pour l'utilisation d'un appareil électrique est de 12 volts ! Si nous avons plusieurs centaines de volts sur les fils d’antenne, et que nous avons aussi les mains mouillées (sûrement dans une grotte), qu'en plus nous sommes agenouillés dans l’eau (ce n’est pas impossible dans une grotte), nous obtenons la recette pour subir le passage de plus de 25 mA à travers le corps (et donc de bonnes chances pour mourir). Si nous avons des gants secs et sommes agenouillés, mais qu'heureusement le sol est sec, nous n'aurons probablement pas de trop mauvaises sensations. En tout cas, nos communications doivent être établies en sécurité dans toutes les circonstances car elles sont destinées à sauver des vies et pas à tuer de pauvres spéléologues qui ne nous ont rien fait. Voilà pourquoi nous n’avons pas accepté les hauts voltages.
La solution est donc d’utiliser les bas voltages tout en diminuant le plus possible la résistance de contact. Nous avons réalisé cela en utilisant 10 à 20 mètres de ruban pour clôtures à vaches, large ruban tissé avec des fils métalliques, qu’on a connecté à la fin des fils d’antenne. Ceci a donné une dispersion des contacts avec la terre qui a contré l’effet d’étranglement au niveau des lignes de courants telluriques, car ceci est l’équivalent d’une multitude de petites électrodes en contact avec la terre. Il est judicieux d’utiliser ce type de bande conductrice aplatie et large qu’on peut coucher à plat sur le sol plutôt qu’une clôture électrique type fil de fer qui est plus rigide et qu’on ne peut maintenir à plat. Ce qui est important, c’est d’avoir de nombreux points de contacts. Les contacts peuvent être améliorés en posant des pierres de loin en loin par dessus la bande conductrice ou mieux, l’immobiliser en l’enfonçant à coup de talon dans la boue humide (si c’est possible). Bien sûr, le plus fantastique contact peut être réalisé en lançant la totalité de la longueur de bande dans une large piscine ou dans plusieurs petites flaques d’eau.
Couplage de la puissance :
En principe nous pouvons coupler plus de puissance dans l’étage de sortie pour avoir une meilleure liaison en utilisant simplement un amplificateur à haute puissance. Mais il y a toutefois quelques consignes de prudence à respecter.
Nous sommes uniquement limités par la puissance maximum de sortie de nos batteries et nous voulons aussi que le rendement de l’amplificateur soit aussi bon que possible ( Heureusement que nous avons une fourniture complémentaire en piles au lithium de 13 Ah qui nous donnent une bonne autonomie). Les amplificateurs en classe A donnent peu de distorsions mais sont assoiffés de courant. Les TDA type d’amplificateurs en classe AB, sont pratiques à utiliser mais on ne peut pas utiliser le plein voltage de sortie crête à crête.
Nous avons fait des expériences avec ces deux modes d’amplificateurs et nous avons démontré qu’il est possible d’encoder un signal SSB avec une onde PWM (obtenir une émission en bande latérale unique à partir d'une modulation par largeur d’impulsions). Le départ de l’impulsion commande la phase de la SSB pendant que sa durée donne l’amplitude. Une série de filtres LC devant la sortie du transformateur permet depuis un MOSFET monté en pont mélangeur de reconstituer le signal SSB. Malheureusement, le circuit n’est pas fait pour rester linéaire entre l’amplitude et la largeur de l’impulsion . J’ai utilisé le circuit SGS 3525 qui a donné une distorsion de modulation. Aussi pour ce haut niveau de puissance, l’inductance utilisée dans le filtre de sortie a été calculée plutôt élevée et de ce fait n’a pas été saturée introduisant de la distorsion. La leçon tirée de ceci fut que si nous désirons un gain de 10 dB en sortie avec un gain en rendement de 3db, mais que nous n’avons pas fait rigoureusement attention, nous aurons tout simplement 10 dB de gain, mais avec une telle perte de qualité de la modulation correspondant à une perte équivalente à plusieurs dB, que cela reviendra à être moins efficace tout en consommant encore plus de puissance des batteries sans augmentation notable du gain général. Ceci nous fait dire qu’il reste encore pas mal de travail pour plus tard..!
De la même façon, chaque fois que nous voulons augmenter la puissance, nous nous créons des problèmes en retour. Basé sur mon expérience, je donne les conseils suivants : Avec les antennes de grande dimension, l’important champ HF peut être capté par le fil du microphone et alimenter un accrochage à travers l’ampli BF (la fréquence radio utilisée est très basse, 87 Khz ne l’oubliez pas). La puissance consommée par l’amplificateur BF peut aussi induire des perturbations dans le circuit d’alimentation du micro ou du mélangeur (c’est pour cela qu’il faut un bon filtre de découplage entre les étages BF et HF). Utiliser un régulateur de voltage pour le microphone et le mélangeur est une bonne idée. Dans le circuit de John HEY, la moitié du voltage de référence obtenue par un diviseur de potentiel avec un ampli opérationnel ne peut prévenir efficacement cette ondulation parasite dans le circuit du microphone car ce pont diviseur n’a pas de capacité de découplage. Bien que le schéma prévoit cette capacité, le circuit imprimé n’a pas d’emplacement pour elle. Aussi, en bref, utilisez un circuit analogique audio, expérimentez et surveillez le couplage parasite ( soignez votre travail de câblage ! Je dois admettre que ma pratique de câblage donne un triste fouillis. - Note du traducteur: En réalité il câble comme un cochon. Heureusement, il a bien d’autres qualités que nous apprécions tous. ;-)
Nature du sol :
La nature de la roche peut être très variable, ainsi 1000 m de roche à un endroit peut autant absorber que 300m à un autre emplacement. Une couche de marne ou un calcaire pauvre bloque le signal alors qu'un bon et solide calcaire le laisse bien passer.
Cet effet à été clairement démontré durant nos essais dans le Gouffre Berger où nous désirions établir une liaison depuis le camp souterrain de la salle des Treize. L’année dernière nous avions fait un essai de communication depuis un point en surface à la verticale de cette station souterraine. A cause d’une couche de marnes et du calcaire Sénonien qui accumulait l’humidité, nous n’avions obtenu aucun contact. Le 13 août de cette année (lire FAUCHEZ, 1998b), nous avons réussi un très bon résultat dans l’ensemble en 87 Khz avec le Système Nicola et avec le 137 Khz de J-J FAUCHEZ dans toutes les directions du point 4 (sur la carte au croisement des chemins) à travers 600m de roche. Un appel fut aussi entendu par le Système Nicola de la Salle des treize depuis une station située à 1 Km de là mais la liaison bilatérale ne put être obtenue à cause du fort niveau de parasites d’orages qui saturaient la station en surface.
La conclusion fut que ce n’était pas forcément en se positionnant verticalement au dessus de la station souterraine pour raccourcir la distance, qu’on obtenait le meilleur contact. Pour ces opérations, nous avons utilisé des récepteurs équipés de boucles de réception (un récepteur Lowe ou des Molephones avec leur antennes boucles.), pour chercher en surface l'endroit ou le signal était le meilleur. Le point de meilleur signal en surface peut-être anticipé en connaissant le relief géologique (voir la coupe géologique) mais les influences des conditions locales peuvent êtres plus profondes par exemple, une faille, une fissure, une rivière souterraine, une grande salle dans le réseau.
Bruit de fond :
Le bruit de fond peut-être très fort, spécialement avec des contacts de terre. Le bruit de fond provient des perturbations atmosphériques particulièrement fortes en fin de soirée, en été et pendant les orages. L'émetteurs de radionavigation LORAN produit des salves périodiques de bruit qui ressemblent à celles d'un équipement motorisé proche. Les clôtures électriques des fermes peuvent aussi donner des impulsions bruyantes sur la bande des très basses .fréquences.
Le choix de la fréquence modulée est un problème important et bien que le 137 Khz soit légèrement moins perturbé par les bruits atmosphériques, le 87 Khz donnerait des meilleures conditions de transmission à travers une plus grande épaisseur de roche. Le problème du bruit est particulièrement aigu car en surface le bruit aurait tendance à être plutôt plus important que le signal venant du fond au point que parfois l'équipe du fond entend très bien la surface mais que la surface ne reçoit absolument pas le fond.
Pour surmonter cela, nous avons l'intention de développer des communications digitales (émission en BPSK et utilisation des possibilités de la réception par détection de phase). Ceci assurera le retour de communications dans les conditions ou la surface est perturbée par les statiques, bien que dans certains cas extrêmes (orages), l'équipe de surface doive déconnecter les dipôles et se mettre à l'abris.
Les tests dans le Gouffre Berger.
Le 23 août de cette année, nous sommes descendus dans le Gouffre berger avec le "Devon Speleological Society" pour des essais et établir un contact à mi chemin du fond du gouffre. Cet emplacement est d'une importance critique pour les secours, mais également, ce secteur du gouffre est un d'un grand intérêt pour les équipes d'exploration car un contact radio depuis ce point permettrait de recevoir un rapport météo récent avant de s'engager dans la partie aquatique du réseau. Un tel système aurait été utile en 1996 car il aurait sauvé des vies. La mise à disposition pour tous de ce service est le but de la fondation NICOLA.
Une liaison vocale remarquablement claire (dans les deux directions) fut établie sous terre entre le Grand Canyon et l'équipe de surface de l'ADRASEC positionnée, dans un chemin au dessus du hameau du Fournel sur la commune d'Engin. L'excitation était intense car c'était la première liaison établie depuis cette profondeur avec une qualité équivalente à celle du téléphone. Les différentes liaisons établies sont visibles sur le schéma diagramme. 
Durant l'établissement de ce premier contact entre la surface et le Grand Canyon, une liaison à deux voies fut établie avec les Molephones en surface, à une distance proche de 500 m, ceci constitue certainement un record pour les Molephones! En surface, malgré les parasites, le Molephone de surface recevait clairement le puissant courant tellurique produit par le système Nicola du Grand Canyon à cause de son efficace couplage. Par contre sous terre, et dans l'autre sens, malgré un relatif environnement sans bruits et sans parasites, grâce à l'efficacité du couplage avec le sol permettant une bonne collecte du signal, le récepteur par courant tellurique (du système Nicola) permettait tout juste d'entendre faiblement le Molephone de surface.
Quand en surface, le Molephone était remplacé par un Système Nicola avec courant tellurique, sous terre, le haut-parleur faisait littéralement un bond dans son support tellement le son était fort. Le succès de cette liaison était due à l'importante étendue d'une faible résistance entre la terre et les électrodes produite par l'utilisation de nos rubans conducteurs (N.D.T.: clôtures de vaches). Bien que poser ces électrodes fut facile, l'acquisition d'une certaine pratique pour obtenir moins de 300 Ohms au bornes de l'appareil est vraiment critique. A ce niveau de résistance de contact de terre, l'impédance capacitive des fils est négligeable.
Malheureusement le jour de ces test le Gouffre n'était pas équipé jusqu'au fond. Mais comme on peut le voir sur la coupe verticale, l'épaisseur de la couche de calcaire entre la galerie et la surface, n'étant pas plus importante plus bas à cause de la pente en surface, nous avons estimé qu'établir une liaison à -1000 m serait aussi facile qu'a -800.
Avant de remonter, un appareil (un des premiers prototypes moins performant mais d'un niveau acceptable) fut laissé sur place.
Les membres du "Devon Speleonic Society" ont utilisés cet appareil pendant la durée de leur exploration du gouffre. Un membre a même pu parler avec son épouse en Angleterre depuis le fond, la surface couplant manuellement le système Nicola à un téléphone GSM. Cette communication depuis le fond du Gouffre Berger avec la Grande Bretagne constituant certainement une remarquable première. Bien qu'il reste encore beaucoup de travail à faire sur le Système Nicola pour intégrer un couplage automatique avec un téléphone GSM, nous avons bon espoir d'y arriver dans le futur avec la production de la nouvelle génération d'appareils.
Résultats opérationnels:
Les appareils qui sont couramment utilisés fonctionnent sur la fréquence 87 Khz en modulation USB (Bande latérale supérieure) et sont compatibles avec les Molephones. possédés par l'équipe de secours Française malgré le léger décale de fréquence. Ce décalage produit une tonalité de voix avec une légère perte d'intelligibilité. Les appareils Molephone utilisent des antennes boucles et sont utilisés en surface pour trouver le point ou le signal est le plus fort. A cause de la variation de la topologie et de la géologie du terrain, le rapport signal sur bruit varie de façon spectaculaire quand on se déplace. Une fois que la bonne position est trouvée, le Système Nicola est installé.
Cette technique fut utilisée pour établir la communication de la surface avec la partie basse du Gouffre Berger Mais en fait ce point avait déjà été identifié comme théoriquement possible sur la carte géologique. Nous avons aussi utilisé un récepteur LOWE 150 HF (qui peut descendre jusqu'à 30 Khz) pour une meilleure réception en surface au cas ou le signal aurait été faible. Le LOWE donnait une réception très claire et brillante,. raccordé aux électrodes du dipôle. Il est supérieur à tous nos appareils faits maison.
Ces émetteurs - récepteurs avec antennes boucles sont aussi utilisés sous terre comme appareil de liaison mobiles dans le cas ou nous devons suivre le transport d'une civière ou se déplacer pendant une recherche, pour rentrer en contact avec une station fixe plus loin à travers une épaisseur de roche d'environ 200 m. C'est cette station fixe qui sert de relais grâce à son puissant signal par courants telluriques avec la surface qui est ainsi moins gênée par le bruit de fond.
Une balise à trois position à été réalisée dans une prise de microphone (pouvant être auto alimentée par la prise micro) utilisant circuit intégré, un générateur de sons 7555 qui passe automatiquement d'émission en réception toutes les 5 secondes. Elle est utilisée pendant les réglages de mise en place pour permettre à l'autre équipe de se positionner pour la meilleure réception. Une antenne boucle plus facile à transporter pendant les déplacements sous terre a été aussi réalisé dans une gaine souple pour les fils électriques utilisée sur chantier de construction des maisons. Elle peut être transportée lovée en huit sur les épaules, et elle forme alors une double boucle pour la réception. Mais déployée, elle forme une large simple boucle utilisable en émission.
Développements futurs :
Le développement de petit récepteurs de messages pouvant recevoir pendant la progression sous terre sont encore demandés pour pouvoir passer un simple message comme "Sil vous plaît, mettez en route votre radio, nous voulons vous parler", ou "changement pour le plan B" Nous avons démontré cette opération avec un simple récepteur utilisant émetteur de courant tellurique en surface et un récepteur Rugby type détecteur (très petit) emmené dans la poche sous terre. Ce produit atteint ses limites de réception au bout de 500 m mais il est un peu irrégulier du fait qu'il détecte des variations subites de niveau pendant le transport. Malheureusement en déplaçant la ferrite de l'antenne de part et d'autres on peut déclencher des fréquentes détections de signaux. Une triple antenne ferrite orthogonale sera essayée.
Nous espérons construire prochainement un nouvel appareil émetteur récepteur complet sur un circuit imprimé d'une seule face avec l'amplificateur et le transformateur inclus. Cet appareil pouvant produire la porteuse seule qui sera utilisée comme signal d'appel pour activer un générateur de signal sonore prévenant l'autre équipe qu'on veut lui parler et qu'il faut augmenter le volume du haut parleur. A cette fin, les composants suivants ont été identifiés et sont intéressants : AD607, TDA7396, et le transformateur 1015 de Newport. Le circuit a des possibilités IQ pour produire de la BPSK en détection et en émission en utilisant un circuit intégré microcontroleur et pouvant être utilisé pour interfacer la liaison avec un autre émetteur (par exemple en VHF ou un téléphone GSM, SWT etc.)
Il y a abondance d'idées dont un beaucoup ont été longuement débattues dans le journal du CREG. Malheureusement il n'y a pas assez d'heures dans une journée. Ce qui est sûr, malgré tout, c'est qu'il y a ici en France une très importante demande pour de bons systèmes de communication pour la spéléologie.
Références
Fauchez Jean-Jacques (1998a) Note from our french Correspondent, CREGJ 32, pp19-32
Fauchez Jean-Jacques (1998b) The Berger on 137Khz, CREGJ 34, p12
Gill Rob (1998) A transformer for Earth Current Communications CREGJ32, pp15, 16
Hey John (1995) The G3TDZ Cave Radio CREGJ 22, pp12, 16