TION AUX DONNÉES INTIMATE96
2. La campagne INTIMATE96
2.1. Stratégie instrumentale.
L’objectif principal du projet INTIMATE1 est l’observation de la marée interne par tomographie acoustique (Demoulin et al., 1997, Stéphan et al, 1998). Cependant, l’exploitation des données, principalement par traitements en large bande, a révélé que la richesse des signaux permettait non seulement d’estimer les principales caractéristiques de la marée interne (Stéphan et al., 2000) mais aussi de faire du suivi de source acoustique (Porter et al., 1998, Jesus et al., 1998) et de l’inversion géoacoustique (Démoulin et al., 2000), objet de ce rapport. La première campagne en mer, appelée INTIMATE96, s’est déroulée en juin 1996 sur le plateau continental portugais au nord du Canyon de Nazaré (Figure 1). Cette campagne a été
1.INternal Tide Investigation by Means of Acoustic Tomography Experiment 200 200 500 500 1000 1000 3000 3000 3000 11˚W 11˚W 10˚W 10˚W 9˚W 9˚W 8˚W 8˚W 38˚N 38˚N 39˚N 39˚N 40˚N 40˚N 41˚N 41˚N PORTUGAL Figueira Da Foz Nazaré
Site expérimental INTIMATE96
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menée conjointement par le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) et l’Institut Hydrographique du Portugal (IHP), avec la collaboration de l’Université d’Algarve. Une source acoustique large bande, remorquée par le Bâtiment Océanographique D’ENTRECASTEAUX, et une antenne verticale de quatre hydrophones ont été utilisées. Des données acoustiques ont été collectées durant cinq jours comprenant des phases de stations et des phases de remorquage. Les signaux reçus sur les hydrophones étaient transmis et traités à bord du bâtiment portugais NRP ANDROMEDA pour une analyse en temps réel. Il a également été procédé à des mesures intensives d’environnement (XBT, CTD, Doppler mouillé, Doppler de coque, chaînes de thermistance, levés bathymétriques). Trois phases ont été réalisées : une station acoustique à 5,6 kilomètres au nord de l’antenne, une phase durant laquelle la source a été remorquée à différentes immersions, à différentes distances et selon différentes directions par rapport à l’antenne et une station acoustique à 6,8 kilomètres à l’ouest de l’antenne d’hydrophones. Enfin, un levé sismique (système SPARKER) a été réalisé au préalable à la campagne et des carottes ont été prélevées sur zone pour la caractérisation des fonds. Une description de l’environnement le long de la radiale nord-sud correspondant à la première station acoustique est donnée en Figure 2.
2. 2. Interprétation des données.
Le signal émis était une modulation linéaire de fréquence (LFM) entre 300 et 800 Hz. La LFM durait 2 secondes et était répétée toutes les 8 secondes (la date d’émission était contrôlée par GPS). Le signal acoustique subissait une compression d’impulsion à la réception par inter-corrélation avec une réplique du signal émis (filtrage adapté). Toutes les séquences de réception ont été alignées sur la première arrivée énergétique afin de s’affranchir des fluctuations de la position des capteurs. Une séquence d’arrivée typique pour une source à 90 mètres et un
Zs = 93 m Csurf = 1520 m/s H = 135 m h = 2m Cbot = 1508 m/s cp = 1650 m/s αp = 0.6 dB/λ ρ = 1.8 kg/dm3 cp = 1750 m/s αp = 0.5 dB/λ ρ = 2 kg/dm3 cp = 3000 m/s αp = 0.2 dB/λ ρ = 2.4 kg/m3 Sable vaseux
Gravier, coquillages et sable
Calcaire cs = 1600 m/s αs = 0.4 dB/λ h = 0.5 m v = 4 m/s ( Vitesse du vent) z1 = 35 m z2 = 105 m z3 = 115 m
FIGURE 2. Dispositif expérimental et paramètres d’environnement pour la station acoustique en milieu non variable.
récepteur à 115 mètres est présentée en Figure 3. Cette séquence est divisée en deux parties. La première est composée d’arrivées directes réfractées dans la thermocline et/ou avec un nombre faible de réflexions en surface ou au fond. La seconde partie montre une séquence d’arrivées résolues qui sont les trajets réfléchis en surface et au fond. Cette partie est remarquablement stable, c’est à dire qu’elle fluctue peu dans le temps. Seuls les temps d’arrivée fluctuent sous les effets de la marée interne, qui induit une modification de la célérité moyenne sur l’ensemble de la colonne d’eau, et de la marée externe, qui entraine un changement du niveau de la surface de la mer. La stabilité des trajets réfléchis sur le fond suggère que les traitements effectués sur cette partie du signal puissent être extrapolés à de nombreuses configurations petits fonds.
Le fond a deux influences majeures sur la réponse impulsionnelle du milieu. D’une part, si l’on considère un milieu fluide semi-infini, les derniers rayons perceptibles sont ceux émis aux angles voisins de l’angle critique, angle au-delà duquel l’énergie n’est plus réfléchie mais transmise dans le fond. Par conséquent, l’étalement temporel de la réponse impulsionnelle du milieu peut être en première approximation interprété comme une mesure indirecte de l’angle
−35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 Reception Window (s) Emission (hh:mm)
ACOUSTIC LEVEL in dB − HYDRO 3
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Arrival time (sec)
Relative amplitude
Impulse response (real data) − R=5630m − Zs=93m − Zr=115m − H=134.5m
Etalement temporel Amplitudes décroissantes p2 p1 Hydrophone 3 dB Temps d’arrivée (S) Heure d’émission Amplitude Temps d’arrivée (S)
FIGURE 3. Haut : Données acoustiques collectées sur l’hydrophone 3 (115 mètres) pendant la station de 24 heures. Toutes les séquences reçues sont alignées sur la première arrivée. La dernière partie du signal est constituée des trajets aux multiples réflexions sur le fond et la surface.
Bas : Séquence typique reçue (sommation sur 30 minutes de données). Les effets du fond sont visibles sur l’étalement temporel de la séquence et dans la loi de décroissance des ampli-tudes des rayons réfléchis. La partie stable du signal est matérialisée par la partie p2, la partie for-tement fluctuante sous l’effet du profil de célérité par p1.
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critique, cet angle étant lui-même fonction de la vitesse de compression du fond. D’autre part, l’amplitude des rayons réfléchis au fond décroît avec le nombre de ces réflexions et de façon équivalente avec leur temps d’arrivée relatif. Par suite, l’amplitude de chaque rayon réfléchi, ainsi que la loi de décroissance de ces amplitudes d’un rayon à l’autre, peut être vu comme une mesure indirecte de la partie « faible rasance » du coefficient de réflexion. C’est donc une mesure indirecte à la fois de la vitesse de compression et du coefficient d’atténuation de compression. Ces deux idées constituent les fondements de l’approche présentée dans ce rapport : à partir de la mesure de l’étalement temporel du signal et de la loi de décroissance des arrivées réfléchies sur le fond, on cherche à estimer la vitesse et l’atténuation de compression du sédiment équivalent, défini par une couche fluide semi-infinie.