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Tidal current measurements

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Les mesures de courant au point fixe (courantomètres eulériens) étaient encore réalisées, il y a une quinzaine d'années, avec des courantomètres à rotor. Ces derniers ont laissé place aux courantomètres à effet Doppler qui, pour certains modèles, en plus de mesurer le courant en leurs points d'immersion, mesurent le profil de courant sur une colonne d'eau. 


D'autres technologies sont employées pour mesurer le courant au point fixe comme les courantomètres statiques électromagnétiques ou les courantomètres acoustiques.

 

 

Les profileurs de courant à effet Doppler

(extrait du manuel de l'hydrographe, volume 2)

 
Ces profileurs de courant utilisent comme leur nom l'indique le principe de l'effet Doppler. Ils permettent de déterminer la vitesse d'écoulement d'une colonne d'eau sur plusieurs couches d'épaisseur déterminée.

 

 

 

Notions sur l'effet Doppler

Dans la vie courante, l'effet Doppler peut être décelé, par exemple, lorsqu'une voiture roule à grande vitesse devant un piéton. Le bruit de la voiture entendu par le piéton passe de l'aigu au grave. La voiture, c'est la source émettrice. Elle émet une onde sonore de fréquence Fe. Ce son se propage à la célérité C. Le piéton sur le bord de la route, c'est le récepteur. Il reçoit une onde de fréquence Fr. légèrement différente de la fréquence émise Fe.

Ce décalage entre la fréquence émise Fe et la fréquence reçue Fr s'observe lorsqu'il y a un mouvement relatif entre le récepteur et l'émetteur.

Fr = Fe ( 1+ Vr/ C)

Avec C : célérité du signal dans le milieu = 1500 m/s dans l'eau et 310 m/s dans l'air.

Vr : vitesse relative entre l'émetteur et le récepteur: Vr > 0 en s'approchant, Vr < 0 en s'éloignant.

Principe de l'effet Doppler appliqué aux profileurs

Le profileur de courant à effet Doppler est muni généralement de trois ou quatre transducteurs acoustiques, orientés vers trois ou quatre directions différentes et se comportant chacun en émetteur et en récepteur. Il y a donc un double effet Doppler.

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Chaque transducteur émet un signal acoustique à la fréquence Fe et reçoit le signal de réverbération de volume suivant l'axe d'émission. Cette onde est successivement réverbérée sur différentes couches d'eau contenant des micro-organismes (crevettes, copépodes) et des particules en suspension. Ces particules sont supposées sans mouvement propre et ne se meuvent qu'à cause du courant les emportant. La portée du profileur dépend, en particulier, de la concentration en micro-organismes et en particules dans le milieu.

Pour chaque transducteur, le signal reçu est échantillonné en temps. Chaque échantillon est donc le signal réverbéré par un volume d'eau. L'épaisseur de volume d'eau est proportionnelle au pas d'échantillonnage en temps du signal réverbéré ; l'estimation de la fréquence en réception Fr se fait par analyse spectrale sur chaque échantillon.

Avec plusieurs transducteurs acoustiques ( trois ou quatre), au même instant, le profileur estime les composantes radiales relatives aux transducteurs. Il estime l'immersion de chaque composante radiale : en raison du roulis et du tangage, les immersions peuvent sensiblement différer entre les différentes vitesses relatives Vr. Les composantes radiales sont alors redistribuées par couche d'eau . Pour chaque couche j, il estime alors les composantes de la vitesse en coordonnées terrestres uj, vj et wj, en tenant compte de l'orientation des transducteurs. Le profileur répète le processus sur une courte période dite d'intégration. On obtient les valeurs moyennes des mesures.

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Les appareils et les différents modes d'utilisation


Fréquence et portée
Les fréquences d'émission vont de 75 à 1200 kHz selon le type d'appareil, de portées respectives 700 à 30 m.

Mode d'utilisation
On utilise le profileur de courant de diverses manières :

  • en mode autonome,
    • installé dans une cage et posé sur le fond
Une cage petit fond
Autre type de cage
Une cage grand fond avec un largueur acoustique
    • placé sur une ligne de mouillage
Ligne de mouillage à pare-battage
Profileur sur ligne avec un safran
    • accompagnant une station bathycélérimètrique ( Lower Acoustic Doppler Yo-Yo ou LADY)



Le profileur autonome mesure le courant sur une colonne par tranches d'eau et oriente le courant par rapport au nord magnétique à l'aide d'un compas magnétique interne. L'orientation des axes d'émission des transducteurs est assurée par deux inclinomètres. Un capteur d'immersion (pressiomètre) permet de recaler les mesures en profondeur.

Les mesures sont enregistrées dans le module d'acquisition du profileur. Après récupération du profileur, les données sont transférées sur un calculateur puis traitées.

  • embarqué à bord d'un navire
    Les transducteurs du profileur embarqué sont placés sous la coque du navire. Ils mesurent le courant sur une colonne par tranches d'eau d'épaisseur prédéterminée. La position, la vitesse et le cap du navire sont enregistrés et pris en compte lors du calcul des vecteurs de courants de chaque tranche d'eau. Les mesures sont enregistrées et visualisées en temps réel sur un calculateur.


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Limites et avantages de ces profileurs

Un profileur remplace avantageusement plusieurs courantomètres classiques placés à des immersions données. Il réalise des mesures de qualité pour des courants faibles et forts ( 0 à 20 noeuds). Son faible encombrement permet de mesurer les courants dans les passes et les chenaux sans déranger la navigation mais en contre partie, ce type de matériel immergé est susceptible d'être déplacé par les chaluts ou autres fortunes de mer.

Ce type de profileur présente une zone aveugle de mesures d'environ 1m à proximité directe des transducteurs. Ceci peut nécessiter l'utilisation complémentaire d'un courantomètre classique.

 

Les radars haute fréquence


L'observation du courant de surface peut également être réalisée par l'exploitation des signaux rétrodiffusés par les vagues, émis par des radars haute fréquence. 

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Le principe de fonctionnement de ces observations est également basé sur l'effet Doppler.

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Ces radars sont déployés par Actimar et les données sont principalement utilisées pour la R&D

  • pour étudier la circulation en mer d'Iroise,
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