Moyens mis en oeuvre

Les instruments

La bouée PHAROS : PHAROS est une bouée phare mouillée au large de l’île de Ouessant à la

po-sition géographique [48.50; −5.60]. Cette bouée assure des mesures horaires du module de la vitesse

également les mesures du maximum de la vitesse de vent dans l’heure, de la température de l’air et de la mer, de l’humidité de surface, de la pression atmosphérique, de la hauteur significative, et du spectre 1D de la surface de la mer. Pour cette étude, Nous avons surtout utilisé l’information spectrale, les informations de vent et de températures.

Le spectre de surface est donné en fonction de la fréquence dans l’intervalle f= [0.035, 0.36] Hz

échantilloné par pas de12/1024 Hz. En utilisant la relation de dispersion en eau profonde, pour les

vagues de gravité (cf. eq. (1.7)), on déduit que cette gamme de fréquences correspond à des longueurs d’onde telles que λ ∈ [12, 1300] m. Le spectre de surface mesuré par PHAROS ne renseigne donc

que sur les grandes vagues de gravité et de houle. Ce type de mesure n’est donc d’aucune utilité pour étudier la partie haute fréquence du spectre des vagues. En revanche, ces mesures nous ont permis de valider les caractéristiques des vagues longues estimées à partir des mesures du radar STORM et du ASAR d’ENVISAT. D’autre part ces mesures de spectres via la bouée nous renseignent sur la présence de houle lors des mesures radar. Lors de l’étude des SERN, cette information de houle pourra donc être croisée avec le comportement de la SERN.

La figure 3.2 présente un exemple de données obtenues pour la journée du 26 Octobre 2002. On peut y voir les variations durant cette journée du module de la vitesse du vent en (a), de sa direction en (b), et de la hauteur significative de la mer en (c). Un exemple de spectre obtenu le même jour est aussi présenté en (d). Le premier pic caractérise une houle alors que le second désigne plutôt une mer due au vent.

Le ASAR d’ENVISAT : ENVISAT est le plus imposant (8200 kg) des satellites construits par

l’ESA⁹pour observer la planète. Il est équipé d’une dizaine d’instruments dédiés à l’étude de l’atmo-sphère et des surfaces continentales et océaniques. La figure 3.3(a) présente un dessin de ce satellite et de ses instruments. Le rectangle bleu désigne l’antenne du radar à ouverture synthétique qui fournit les images que nous utilisons dans ce travail.

Ce ROS est qualifié de "avancé" car l’antenne a été réalisée en employant les dernières possibi-lités technologiques. Chaque module peut être configuré indépendamment des autres. L’intérêt de ce nouveau système d’antenne est la possibilité d’acquisition dans un grand nombre de modes différents (incidence, polarisation, résolution, fauchée...).

Ce ROS fonctionne en bande C à une fréquence de 5.331 GHz. Son antenne permet d’avoir des largeurs de fauchées allant jusqu’à 400 km et d’alterner les polarisations des ondes émises et reçues. Le tableau 3.4 regroupe les différentes configurations de fonctionnement possibles.

Au dessus de l’océan, un ROS peut être utilisé pour estimer le spectre des vagues [Hasselmann and Hasselmann, 1991, Engen and Johnsen, 1995, Mastenbroek and Falk, 2000, Chapron et al., 2001], et les propriétés vectorielles du champ de vent [Lehner et al., 1998, Horstmann et al., 2000, Monaldo et al., 2002]. Signalons aussi que sur l’océan un tel instrument est utilisé depuis peu de manière pros-pective pour la mesure des courants marins [Chapron et al., 2005, Romeiser et al., 2004] (grâce à l’étude de la phase du signal), mais aussi pour le suivi des plaques de glace dérivantes, le routage des bateaux ou encore la détection de nappes de pétrole. Le document établi à la suite du Workshop "Coas-tal and Marine Applications of SAR" [Johannessen, 2004] représente une bonne synthèse de toutes ces applications, ou futures applications, possibles à partir des images de ROS (et plus particulièrement du ASAR).

Le radar STORM : STORM est un radar à ouverture réelle FM/CW (Frequency-Modulation /

Continuous-Wave) fonctionnant à 5.35 GHz. Sa réalisation était compatible avec une installation sur

(a) (b)

(c) (d)

FIG. 3.2 – Exemple de mesures collectées par la bouée PHAROS durant la campagne VALPARESO. (a) Vitesse du vent mesurée à10 m au dessus de la surface en m/s. (b) Direction du vent mesurée à 10 m au dessus de la surface en degrés. (c) Hauteur caractéristique H_1/3des vagues en m. (d) Densité spectrale des vagues en m²/Hz.

l’avion MERLIN-IV de Météo-France. A l’heure actuelle, le système est en cours de modification en vue d’une prochaine intégration sur l’avion ATR42 de Météo-France. La figure 3.3(b) présente la géométrie de l’antenne de STORM. Il émet alternativement en polarisation horizontale et verticale et reçoit le signal rétrodiffusé dans les deux polarisations simultanément. Il comporte une antenne d’émission d’ouverture 50°x 50°et une antenne de réception d’ouverture de 33°x 7.5°. Les deux an-tennes sont fixées dans un seul radôme placé sous le fuselage de l’avion. Le sytème tourne autour de

(a) (b)

FIG. 3.3 – (a) Dessin du satellite ENVISAT de l’Agence Spatiale Européenne lancé en 2002 dont la douzaine d’instrument est dédiée à l’études de la Terre (atmosphère et surface). (b) Montage de l’antenne de STORM emnarquée à bord du MERLIN-IV de Météo-France.

l’axe vertical à la vitesse de 3 tours par minutes et vise la surface avec une incidence moyenne de 20 degrés. La rotation des antennes s’effectue alternativement dans un sens puis dans l’autre. La résolu-tion radiale de l’instrument est de1.53 m ce qui correspond, projeté au sol, à une résolution radiale de 9 à 2.70 m entre 10 et 35 degrés. La résolution azimutale au sol est d’environ 400 m.

Il existe deux modes d’acquisition du signal radar. (i) Afin d’analyser toute l’information polari-métrique, le signal reçu peut être enregistré sous forme complexe (amplitude et phase), sans intégra-tion temporelle toutes les 8 ms en polarisation H et V. C’est le mode polarimétrique. (ii) Un mode

de fonctionnement simplifié appelé le mode "intégré" est également possible. Dans ce cas, le système n’enregistre que la puissance du signal reçu, avec une intégration temporelle de128 ms pour chaque

polarisation. Dans ce mode intégré, un traitement polarimétrique basé sur l’étude simultanée de la phase et de l’amplitude du signal rétrodiffusé est impossible.

Il existe également deux configurations possibles pour le système d’antennes liées au comporte-ment de l’avion en vol. (i) Lorsque la trajectoire de l’avion est rectiligne, le radar peut mesurer la section efficace radar normalisée sur une gamme d’incidence comprise entre 10 et 35 degrés. C’est le mode rectiligne. (ii) Pour obtenir des mesures à des incidences supérieures à 35 degrés, il est pos-sible d’utiliser l’inclinaison de l’avion lorsqu’il vole en cercle. Dans cette configuration, l’inclinaison de l’avion et donc du radar augmente, nous permettant ainsi de faire des mesures jusqu’à 45 degrés. Dans ce mode, l’antenne du radar est immobile et c’est la trajectoire circulaire de l’avion qui permet d’obtenir des mesures de SERN dans toutes les directions azimutales. C’est le mode "cercle".

En outre, les données enregistrées comportent dans chacun des modes toutes les informations nécessaires au traitement - en particulier roulis, tangage, dérive et vitesse de l’avion.

Les principales caractéristiques des produits ASAR (utiles pour l’océan) Les incidences [degrés]

Mode minimum maximum largeur de la fauchée [km]

IS1 14 22 108 IS2 18 26 107 IS3 25 31 84 IS4 30 36 90 IS5 35 39 65 IS6 38 42 72 IS7 42 45 58 Choix de polarisation Mode polarisation Simple polarisation VV, HH Double polarisation VV-HH, HH-HV, ou VV-VH

Post-traitement des données réalisé par l’ESA

Mode commentaires

PRI information en intensité du signal reçu, corrigé des effets d’antenne et projeté sur l’horizontal

SLC information en amplitude et en phase sur l’onde reçue sans correction

Les produits ASAR (utiles pour l’océan)

Mode commentaires

IMS données en SLC, polarisation simple et toutes les incidences sont possibles

IMP données en PRI, polarisation simple et toutes les incidences sont possibles

APS données en SLC, polarisation double et toutes les incidences sont possibles

APP données en PRI, polarisation double et toutes les incidences sont possibles

wave données en SLC, polarisation VV en IS2

WS données en SLC, polarisation VV ou HH qui regroupe 5 modes d’incidences et qui fait 400 km de large

FIG. 3.4 – Ensemble des caractéristiques des produits ASAR utilisés pour l’étude des océans. En gras, ce sont les modes utilisés lors de ce travail.

à effectuer des vols au-dessus de cibles artificielles (trièdres et dièdres métalliques) dont la réponse radar est connue. De plus, des vols au-dessus de surfaces continentales (herbe et forêt) et de la mer ont été réalisés. L’ensemble de ces observations a permis d’effectuer un étalonnage du radar aussi bien

Caractéristiques du radar STORM caractéristiques micro-ondes type FM/CW Fréquence moyenne 5.35 GHz FM/CW bande spectrale 192 MHz période de répétition 8 ms résolution radiale 1.53 m puissance transmise 2 Watts

Polarisation d’émission V et H (ttes 8 ms) Réception V et H (simultanément) Antenne ouverture à 3 dB de l’antenne 30°×7.5° de transmission (H ou V) ouverture à 3 dB de l’antenne (H ou V) 20° de reception (H ou V)

isolation de la polarisation croisée >30 dB isolation entre transmission >70 dB et réception

Géométrie de visée

incidence moyenne 20°

angle azimutal balayage sur 360° altitude de l’avion 2000-3000 m

FIG. 3.5 – Caractéristiques du radar STORM pendant la campagne VALPARESO.

en puissance qu’en phase (cet étalonnage en phase étant absolument nécessaire pour l’utilisation de l’information polarimétrique). Des vols d’étalonnage au-dessus de cibles artificielles ont été à nou-veau réalisés en2002 environ 1 mois avant la campagne VALPARESO. Le tableau 3.5 rappelle les

principales caractéristiques du radar STORM.