RADAR de mesures des courants marins de surface au
LSEET-CNRS USTV (rédaction Y.Barbin)
Thématique
Le système de
radars HF-VHF de courantométrie côtière du LSEET permet de dresser, en continu et
sur de longues périodes, les cartes de courants marins de surface, jusqu’à des
distances supérieures à 100km et avec une résolution spatiale de 300m à 3km
selon la largeur de bande explorée. Les spectres doppler sont aussi des
indicateurs de l’état de mer, et permettent d’établir, indirectement, des
cartes de direction de vent.
Contexte national et international
Depuis le début des
années 1970, la technique radar courantométrique a progressé aux Etats-Unis
(avec le radar « codar » http://www.codaros.com/ ) et en Europe. Elle est maintenant
« sortie » des laboratoires de développement, et aussi du strict
domaine de la recherche scientifique, pour participer à la surveillance
environnementale, à la gestion des situations normales et de crise (pollution
marine).
Des radars
courantomètres sont même opérationnels et connectés sur des réseaux en voie de
pérennisation: réseau multi instruments http://marine.rutgers.edu/cool/ de
la Rutgers University (côte Est américaine), le réseau californien http://www.cocmp.org/ , et maintenant la planification de l’intégration des radars
au réseau IOOS à l’échelle globale de toutes les côtes des Etats-Unis
(Integrated Ocean Observing System, http://www.ocean.us/ ), voir aussi le magazine « Sea Technology »,
numéro de Septembre 2007 http://www.sea-technology.com/ .
En Europe,
plusieurs campagnes scientifiques coordonnées ont déjà été organisées (voir
campagne Eurorose, par exemple). En France, en 2006, après une campagne
d’évaluation, le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) http://www.shom.fr/ s’est équipé de deux radars HF à formation de
voie électronique. En Angleterre, les interactions multidisciplinaires se
concrétisent dans le projet de réseau « Cornet », ouvert vers les
utilisateurs externes.
La compétence
instrumentale en Europe est organisée autour de 3 pôles: l’Université de
Sheffield (équipe du Professeur
L.Wyatt), l’Université de Hambourg (équipe du Dr Gurgel), et le LSEET de
Toulon.
Le LSEET (équipe
fondatrice du Professeur Broche) a installé un premier prototype HF à La Londe
les Maures en
L’instrument COSMER
a déjà fait l’objet dans la période 2003-2005 d’un contrat d’utilisation par
une PME bretonne d’océanographie, AVELMOR, devenue ACTIMAR http://www.actimar.fr/ , qui a opéré le radar pour le SHOM (campagne
EPEL) et pour le laboratoire ELICO de l’Université du Littoral (PNEC) à
Wimereux (62).
Depuis 2004, le
LSEET a fait l’acquisition de deux nouveaux radars HF WERA (Wellen Radar) allemands
http://ifmaxp1.ifm.uni-hamburg.de/WERA.shtml , fabriqués par la société HELZEL
Messtechnick http://www.helzel.com/ , sous licence de l’Université de Hambourg.
Le LSEET participe à l’évolution de cet instrument. Il a développé des
algorithmes nouveaux de cartographie à
Haute Résolution azimutale, de réduction des Interférences Radio et de
suppression d’artefacts, voir les « abstracts » de nos présentations
à la conférence RADIO OCEANOGRAPHY WORKSHOP 2006 à Hambourg (ROW2006)
http://ifmaxp1.ifm.uni-hamburg.de/ROW_2006/Program.shtml :
http://ifmaxp1.ifm.uni-hamburg.de/ROW_2006/Abstract_Barbin_1.shtml
http://ifmaxp1.ifm.uni-hamburg.de/ROW_2006/Abstract_Barbin_2.shtml
Le LSEET a également procédé à une expérience
récente, « première » sur des WERA, avec une résolution radiale aussi
fine que 300m (article en préparation).
De Mai 2005 à
février 2007, le LSEET a conduit une campagne d’observation du Golfe du Lion de
longue durée (21 mois), voir notre présentation à l’AIE2006 (Brest) : http://www.ifremer.fr/aei2006/presentations/T1S3/aei2006_12_28.pdf . Cette campagne a permis, entre autre, d’évaluer
et d’améliorer la fiabilité des équipements face à la mer. Cette campagne, qui a généré 2 Téra Octets de
données, a permis (et nécessité) de développer des méthodes systématiques de
traitement, en routine automatique, des signaux bruts. En plus des
« sorties » à caractère scientifique (cartes de courants), d’autres
programmes rapides permettent d’évaluer la qualité de fonctionnement de
l’appareil, et de détecter les pertes de performances, nécessitant ou non une
intervention sur site. Ces programmes écrits au LSEET sont originaux.
La présence et
l’expertise du LSEET dans le groupe international des utilisateurs WERA (WUG,
WERA user group http://www.helzel.com/helzelmed/download/Newsletter-7323.pdf ) nous a permis d’avoir accès à des données
provenant d’autres sites de radars, opérés à d’autres fréquences, et dans des
contextes océanographiques différents. Nous avons participé à des études de cas
particuliers, comme le traitement des données radar de zones soumises à la
houle et à de fortes marées, et en présence d’îles (SURLITOP, Contrat Ministère
de l’Environnement, projet RITMER, en partenariat avec ACTIMAR et BOOST
Technologies http://www.boost-technologies.com/web/fr/aboutus.html ). Nous avons ainsi paramétré nos programmes
pour les rendre adaptables à plus de situations expérimentales.
Ainsi, pour la
récente et courte campagne réalisée dans la baie de La Spezia (Ligurie,
Italie), nous avons pu installer et opérer les programmes de traitements
radiaux à bord des pc pilotes de radar, et ainsi produire automatiquement,
pour la première fois, des cartes de courant en temps réel.
DESCRIPTIF
TECHNIQUE du radar de type WERA
Principe
Le WERA est
un radar doppler à « chirps » (sondage de la bande utile par
des rampes de fréquence, répétées), fonctionnant dans les bandes métriques ou
décamétriques http://ifmaxp1.ifm.uni-hamburg.de/WERA.shtml
.
Les ondes
rétrodiffusées par la mer vers le radar sont essentiellement la contribution
cohérente des vagues de Bragg dont la longueur d’onde est la moitié de la
longueur des ondes électromagnétiques.
Pour un radar à
15MHz, les vagues sélectionnées ont une longueur d’ondes de 10 mètres. Pour un
radar à 50MHz, on sélectionne les
vagues de 3 mètres. De telles vagues
sont quasiment toujours présentes dans le spectre de vagues.
La vitesse de phase
des vagues sélectionnées (celles qui s’approchent et celles qui s’éloignent)
est bien connue. L’observation, pendant plusieurs minutes, des ondes
rétrodiffusées par ces vagues permet d’évaluer, par méthode soustractive, la
vitesse du courant radial de la surface qui entraîne les vagues. (eg. Pierre
Broche, METMAR (météorologie marine), n°181,
1998) http://www.meteofrance.com/FR/pedagogie/librairie/periodiques.jsp
Description
La cartographie
vectorielle des courants nécessite deux radars séparés qui permettent
d’observer la surface de la mer sous deux angles. A partir des deux vitesses
radiales, on reconstitue la vitesse vectorielle du courant de surface.
La distance en ligne
directe qui sépare les deux sites côtiers doit être de l’ordre de la moitié de
la portée espérée. En HF, les deux sites sont à une quarantaine de kilomètres
l’un de l’autre. En VHF, on aura une dizaine de kilomètres.
Chacun des radars est constitué d’une baie
électronique et de deux champs d’antennes, l’un pour l’émission, et l’autre
pour la réception.
La baie
électronique (voir photo1) est installée en rack dans un container spécifique
(voir photo2), un bungalow ou à l’intérieur d’une installation pérenne
(bâtiment). La consommation de l’électronique est inférieure à 1kW. En été, et
pour l’installation dans le container, une climatisation est nécessaire
(puissance pic supplémentaire 2kW).
photo1 : vue de face du rack en configuration
12 canaux RX
Le réseau
d’émission TX (voir photo3) est constitué de 4 antennes disposées en rectangle,
avec un espacement en 0.5 lambda X 0.15 lambda (lambda représente
la longueur d’onde), soit 10m X 3m à 15MHz. On a aussi utilisé une
disposition end fire en ligne, à 4 ou 2 antennes. Au pied des
antennes d’émission est disposé l’amplificateur de puissance haute fréquence
ultra linéaire. L’amplificateur reçoit de la baie un signal d’excitation par un
long câble coaxial et une alimentation 220Volts (200W).
Photo2 : Le container spécifique, aménagé
avec climatisation intégrée
Photo3 : Le réseau rectangulaire d’antennes
d’émission HF (Salin de Giraud).
photo4: le réseau linéaire d’antennes de réception
HF (Salin de Giraud).
Le réseau
d’antennes de réception RX (voir photo 4) est, en général, un réseau linéaire broadside
(des antennes dipôles élémentaires en demi-onde raccourci, régulièrement
espacées le long d’une ligne parallèle à la côte). L’espacement typique est en
« lambda/2 ». Un réseau RX comprend de 8 à 16 antennes. On a
travaillé avec un réseau limité à 4 antennes sur un des sites méditerranéens
(Ile du Frioul). Vers 15 MHz, un réseau de 12 antennes s’étire sur plus de
100m. Vers 45 MHz, un réseau de 8 antennes n’a besoin que de
Le réseau RX, dans
son ensemble, doit être très éloigné du réseau TX afin de réduire le couplage
direct qui limite la sensibilité du système. L’espacement nominal est supérieur
à 250m. Toutefois, en Italie, on a opéré sur un des deux sites le radar en VHF
avec un espacement réduit à
L’implantation
(trouver les sites et la bonne disposition des réseaux) et le câblage des
réseaux d’antennes sont les points durs de cet instrument (et ceci est d’autant plus vrai
qu’on utilise le mode chirps, avec
l’émission en continu).
Un réseau de
réception de 12 antennes vers 15 MHz nécessite la pose de 3 km de câble (2.5 km
de coaxial vers les antennes RX, et deux câbles de 250m vers le réseau TX), et
pour le réseau 8 antennes en VHF, un peu
plus d’un kilomètre. Si le câble secteur doit être enfoui, l’investissement
sera encore plus lourd. Ces câbles ne sont souvent pas réutilisables à la fin
de la campagne.
Performances
Rares sont les
situations où les signaux rétrodiffusés sont insuffisants, en intensité, ou en
propreté spectrale, pour réaliser la mesure (les performances en portée sont
toutefois moins bonnes en cas de mer très calme ou en cas de très forte
tempête).
En HF, la portée
typique varie de 60 à 120km, la résolution radiale est de l’ordre de 3km, la
surface couverte atteint facilement 4000km2. En VHF, la portée est
moindre, de 15 à
La résolution
radiale est surtout limitée par la largeur de bande radio disponible (et
présentant peu d’interférences).
La résolution
azimutale dépend en principe de la taille du réseau de réception. Le LSEET a
implanté des méthodes Haute Résolution pour compenser, aux grandes distances,
l’effet du manque relatif de résolution azimutale.
La résolution en
vitesse radiale dépend de la fréquence de travail et de la durée d’intégration.
Avec une intégration de 5 minutes, on atteint la résolution de 1 cm/s à 50 MHz et
3 cm/s vers 15 MHz. Une mesure est constituée de plusieurs intégrations
successives (typiquement 4).
Les principales
perturbations de la mesure sont provoquées par les interférences radio (RFI),
ou par la présence de bateau ou d’aéronefs dans le champ du radar. Le LSEET a
développé des algorithmes d’évasion et de réduction de l’effet des RFI.
Sécurité des opérateurs, et du public,
sensibilité des appareillages aux parasites
La sensibilité des
équipements radio et la performance des algorithmes de traitements permettent
d’obtenir une portée supérieure à 100km avec seulement 30 Watt HF rayonnés. Ce
niveau de radiation est compatible, à ces fréquences, avec la présence des
opérateurs, même lors d’intervention auprès du champ d’antennes d’émission
(fiche d’évaluation et de conformité disponible au laboratoire), on pourra lire
le texte fondateur des normes applicables sur le site de l’ICNIRP http://www.icnirp.de/documents/emfgdlfr.pdf
.
Le balisage des
installations est toutefois recommandé pour éviter la présence prolongée du
public. Il faut aussi éviter, au voisinage du réseau RX, la présence
d’équipements électroniques même de type grand public, éventuellement générateurs de parasites radio saturant.
Un Petit Clip Video (avi) non
retraité : Courants de surface dans la partie est du Golfe du Lion du 16 au 17
juin 2005
