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Article "Radio-Océanographie"
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Article "Radio-Océanographie"
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Résumé Introductif
modifierLa radio-océanographie est la science et la technique d'observation à distance de la surface de la mer, de son état d'agitation, et des courants présents à sa surface à l'aide d'ondes radio-électriques[1]. Elle utilise l'effet de diffusion des ondes radio-électriques par la surface irrégulière de la mer. Elle s'apparente aux autres techniques radar. Elle rentre aussi dans les méthodes de Télédétection de l'environnement terrestre, comme le Radar météorologique ou les profileurs de vent .
L'observation de la mer avec des ondes radio peut se faire soit à partir de la surface de la mer elle même (à partir de navires)[2], soit le plus souvent à partir de radars côtiers, soit à partir d'aéronefs, et même à partir de satellites artificiels.
Portée de l’Article
modifierCet article ne couvre pas l’étude des océans et des courants à très large échelle par altimétrie satellitaire par radars micro-ondes embarqués sur satellites artificiels (par exemple Topex Poséidon). L’altimétrie radar et ses applications pourra faire l’objet d’un article dédiée.
De même, l’article ne couvre pas l’observation de la mer depuis l’espace par radar avec fauché latéral (radar à synthèse d’ouverture).
L’article et l’appellation radio-océanographie recouvre l’observation par les radars côtiers des bandes littorales et côtières jusqu’à plus de 100 km des côtes selon les fréquences radio utilisées[1].
Applications
modifierLes domaines d’applications pratiques sont[3][4] :
- la mesure des courants de surface et de leurs dérives associées, importants en climatologie, en biologie, par et pour les transports[5][6].
- la détermination des transports à partir des vitesses des courants de surface est aussi déterminante en cas de pollutions marines de surface.
- la connaissance des courants et des dérives permet aussi de diriger les opérations de recherche et sauvetage en mer
- la prévision à distance des états de mer, la mesure indirecte à distance du vent à la surface de la mer[3]
Détection indirecte des Tsunamis
modifierDepuis une vingtaine d’années des méthodes indirectes sont développées pour détecter à bonne distance par radar HF l’arrivée des tsunamis. Une de ces méthodes fait l'objet d'un brevet international[7].
Principe: la rétrodiffusion des ondes radio par la surface de la mer
modifierLa mer est une surface rugueuse. Cette rugosité provoque la diffusion des ondes radio qui se propagent près de la surface de la mer. Une partie des ondes diffusée retourne vers la source émettrice des ondes, c' est la rétrodiffusion.
La rugosité de la surface de la mer est due aux vagues qui sont présentent sur une grande plage d’échelles de longueurs d'ondes comme les ondes capillaires (longueur d’onde vers le centimètre et en de ça), et toutes les ondes de gravité et jusqu'aux longues ondes de houle (longueur d’ondes de plusieurs centaines de mètres).
Les vagues de longueur décimétriques à décamétriques sont pratiquement toujours présentes à la surface de la mer, et la rétrodiffusion par ces vagues peut être utilisée en permanence pour des observations à distance des états de mer et des courants.
On distingue la radio-océanographie effectuée avec les ondes décamétriques (ondes HF de 3MHz à 30 MHz) ou ondes métriques (ondes VHF de 30 MHz à 300 MHz), de celle effectuée avec les radars micro-ondes centimétriques , en fait généralement en Bande X (vers 10GHz, soit 3cm).
La portée des radars Bande X est généralement limitée par l’horizon et même moins en cas de fort état de mer (portée pratique 10km). Les radars Bande X utilisés en radio-océanographie sont dérivés des radars de navigation et de surveillance maritime classiques qui sont très répandus.
Radars HF et VHF côtiers
modifierLes radars HF et VHF offrent une propagation et un retour d'écho au delà de l'horizon (radar trans-horizon) et ils permettent ainsi des zones de couverture étendues. La portée pratique décroît avec la fréquence. On peut atteindre les 200 km avec des radars à 5 MHz, les 120 km avec des radars vers 10MHz, 60 km vers 20 MHz, une trentaine de km vers 40MHz[1]. Les radars de fréquences supérieures vers 150 MHz sont utilisables pour les estuaires et le l’approche des zones portuaires.
Historique
modifierLa modulation permanente de l’ écho radar de la mer a été constatée sur les radars de détection de navire dès qu’ils ont été équipés de moyens de suivre l’effet Doppler des échos afin de mesurer les vitesses des navires détectés. Le fort écho de mer est une gêne pour la détection efficace des navires. On lui donne en français le nom de Fouillis radar.
La première explication du phénomène de ce « fouillis » de mer pour des radars HF (vers 13MHz) est publiée par Douglas Crombie[8] en 1955. D .Crombie propose un rapprochement avec l’effet étudié par Bragg pour la diffraction des neutrons par les graticules dans les cristaux : La diffraction de Bragg.
Dans le cas de la mer, les vagues de crêtes perpendiculaires à la visée du radar, et de longueur d‘onde moitié de la longueur d’onde radio produisent la composante majeure de la rétrodiffusion: comme leurs contributions individuelles sont cohérentes en phase, elles se cumulent en amplitude. Ces vagues accordées sont animées d’une vitesse caractéristique de leur longueur d’onde (vitesse de phase) qui produit un effet Doppler bien identifiable. On appelle ces vagues accordées les « vagues de Bragg ».
Deux systèmes de telles vagues sont présents : celles qui viennent vers le radar, et celles qui s’éloignent du radar. Elles sont animées de vitesses opposées, et produisent des décalages Doppler opposés (symétriques).
Les premières exploitations du signal de fouillis à vocation scientifique et d’observation de la mer décollent dans les années 1970 sous l ‘impulsion de la NOAA aux Etats Unis et des organismes scientifiques d’autres pays dont le CNRS et l'Université de Toulon pour la France[4].
La contribution complémentaire par le courant de surface dans le décalage Doppler des « vagues de Bragg » est identifiée, comprise et utilisée pour mesurer les courants de surface le long de la direction de propagation des ondes radio (courant projeté)[9]. Deux observations de la même zone sous des angles différents permettent avec les deux projections de calculer le vecteur courant de surface (courant total).
Il est remarquable que ces équipements fournissent des mesures à longue portée avec des puissances émises de l’ordre de quelques dizaines de Watt, ce qui leur permet d’être compatibles avec les normes d’exposition aux rayonnements dits non ionisants.
Développement industrielle et commerciale, et Exploitation opérationnelle
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Pour couvrir de large région de la mer, il faut explorer toutes les directions avec une résolution angulaire fine. Les installations classiques font appels à des réseaux linéaires d’antennes élémentaires (au moins une dizaine d’antennes). Pour un radar HF, ces réseaux occupent typiquement une centaine de mètres le long de la côte, ou sur le haut d’une falaise. Un tel emplacement n’est pas toujours facile à trouver, mais ces grands radars offrent le plus de domaines d'applications. Les radars WERA sont de ce type.
Des systèmes beaucoup plus compacts et plus faciles à installer ont été conçus et fabriqués d’abord par la firme américaine Codar Ocean Sensors. Ils mesurent essentiellement les courants de surface et donnent des estimations intégrées des états de mer. Ces équipements compacts et plus faciles à installer représentent près de 90 % des radars côtiers en service dans le monde.
Certains pays ont équipés de longues partie de leur côtes de réseaux de radars en fonctionnement permanent ( USA, Australie).
Articles connexes
modifierLiens externes
modifier- « Codar ».
- « WERA - Remote Ocean Sensing ».
- « Caractéristiques Techniques et Opérationnelles des Radars Océanographiques. M-1874-1-201302 », sur Union Internationale des Télécommunications M-1874, (consulté le )
- (en) K.W.Gurgel, « Experience with Ship Born Measurements of Surface Current Fields by Radar », Oceanography, vol.10, N°2, Special Issue on HF radar,
- (en) J.Paduan, H.Graber, « Introduction to High Frequency Radars: Myth and Reality », Oceanography, Vol.10, n°2, Special Issue on High Frequency Radars for Coastal Oceanography, , p. 36-39 (lire en ligne)
- P.Broche, « Contrôle de Vitesses pour Crête des Vagues: Mesure du Vent, des Vagues et du Courant par Radar océanographiques en HF et VHF », METMAR : Météorologie Marine, N°181, , p. 10-15 (lire en ligne)
- (en) A.Bjorkstedt, J.Roughgarden, « Larval Transport and Coastal Upwelling: an Application of HF Radar in Ecological Research », OCEANOGRAPHY, Vol.10, N°2, Special issue on HF Radar,
- (en) H.Graber, C.B.Limouzy-Paris, « Transport Patterns of Tropical Reef Fish Larvae by Spin-Off Eddies », OCEANOGRAPHY, Vol.10, n°2, , p. 68-71
- (en) « Codar Patent Pending: "Coastal HF Radar System for Tsunami Warning" », (consulté le )
- (en) D.CROMBIE, « Doppler Spectrum of Sea Echo at 13.56Mc./s », Nature, N°175, , p. 681-682
- (en) D.Barrick et al., « Ocean Surface Currents Mapped by Radar », Science, New Series, Vol. 198, No. 4313, , p. 138-144 (lire en ligne)