Les mesures de courants de marées

Les mesures au point fixe (courantomètres eulériens) sont réalisées grâce à plusieurs types de courantomètres, en particulier :

les courantomètres à rotor qui déterminent le courant à leur point d'immersion ;
les profileurs de courant à effet Doppler qui permettent la mesure du 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.

	Le courantomètre à rotor
(extrait du manuel de l'hydrographe, volume 2)

Constitution

Ce type de courantomètre permet de mesurer les composantes du courant à une immersion donnée. Il comprend les éléments suivants :

un capteur de vitesse constitué d'un rotor à axe vertical, monté sur pivot et profilé pour avoir une réponse linéaire dans la plage de mesure. Ce type de rotor est appelé rotor de Savonius. Il tourne toujours dans le même sens ; un tour du rotor correspond au déplacement réel d'une particule d'eau d'une distance connue. Le système, mécanique, a été défini pour avoir un seuil de démarrage le plus faible possible (seuil de démarrage, 2cm/s). Le rotor déclenche la fermeture d'un contact électrique à chaque demi-tour, fournissant ainsi une information électrique proportionnelle au courant mesuré ;

une girouette profilée qui s'oriente selon la direction du courant. Un accouplement magnétique entraîne en rotation, à travers la cloison supérieure de la tape du courantomètre, un potentiomètre qui donne une information électrique proportionnelle à la position angulaire de la girouette par rapport à un repère fixe ;

un compas magnétique qui rapporte cette direction du courant au Nord magnétique local. Il est nécessaire de connaître la déclinaison locale (angle que fait le Nord magnétique avec le Nord géographique) afin de rapporter les directions des courants au Nord géographique qui sert de référence. Il est conseillé d'intégrer cette donnée lors du traitement des données et non lors de l'initialisation de l'appareil ;

un capteur de pression et un capteur de température ;

une horloge interne à quartz qui date et gère les séquences de mesures ;

un système d'enregistrement numérique des valeurs ;

un bloc d'alimentation électrique ; en général, des piles au lithium, ayant environ quatre ans d'autonomie ;

un bâti en cupro-aluminium ou en titane, renfermant l'ensemble de l'électronique et de l'alimentation électrique. Ce bâti peut, selon la version, supporter des immersions de 1000 ou de 6000 m.

Mesures enregistrées

La mesure enregistrée est une mesure moyenne effectuée par intégration vectorielle du courant mesuré (en anglais Vector Averaging Current Measurement ou VACM).

On mesure durant un temps donné, appelé période d'intégration, le nombre de demi-tours effectués par le rotor. A chaque demi-tour, la direction indiquée par la girouette est elle aussi enregistrée. A la fin de la durée de mesure, on additionne les vecteurs enregistrés ( vitesse et direction) et on divise par la durée d'observation. La mesure enregistrée donne ainsi le vecteur moyen en direction et en vitesse pendant la période d'intégration. Cette moyenne permet de filtrer les effets indésirables des turbulences et des fluctuations, selon le choix de la durée d'intégration.

L'utilisateur peut régler la cadence d'acquisition des mesures, appelée période d'archivage. Lorsque la période d'archivage est réglée à une valeur supérieure à la durée d'intégration, l'appareil est mis en veille entre deux séries de mesures successives.

Limites et avantages

Cette technologie bien connue et maîtrisée permet de réaliser des mesures de qualité pendant de longues durées d'observation mais son utilisation impose quelques précautions lors de la conception du mouillage et durant sa mise en oeuvre.

L'utilisation d'éléments mécaniques comme le rotor et la girouette ne permet pas de mesurer des courants très faibles (seuil de démarrage du rotor assez élevé de 2cm/s) De plus, le système mécanique peut se trouver ralenti voire bloqué par les crustacés et les algues qui viennent se fixer sur le corps du courantomètre malgré la présence d'une peinture antifooling. Enfin, si le courantomètre subit une inclinaison, il s'ensuit une erreur sur la vitesse et la direction. La tolérance sur l'inclinaison de la ligne est d'une vingtaine de degrés.

Le compas magnétique peut être perturbé par une masse métallique placée au voisinage du courantomètre. C'est pourquoi il faut, dans la mesure du possible, éviter de placer un courantomètre à rotor à proximité d'une épave et faire attention à la nature des lests utilisés.

	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. Voir figure.

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.

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 ( voir photo), placé sur une ligne de mouillage ou accompagnant une station bathycélérimètrique ( Lower Acoustic Doppler Yo-Yo ou LADY)

Profileur de courant à effet Doppler, 600 kHz , dans sa cage de mouillage

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

Voir figure

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.

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
Dans le cadre de l'action VIGICOTE, volet d'un programme d'études amont de la délégation générale de l'armement, le SHOM a fait l'acquisition d'un nouveau système de mesures de courants de surface basé sur l'exploitation des signaux rétrodiffusés par les vagues, émis par des radars haute fréquence.

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