Le système d’observation par radar HF sur les côtes varoises

L’installation de ce système a commencé en mai 2010 avec l’équipement de la station mono-statique située au fort Peyras sur le cap Sicié (Fig.1.3, 1.5(a)), dénommée PEY dans la suite. Il s’agit d’un radar WERA consistant en un réseau d’émission à deux antennes et un réseau de réception à 8 antennes disposées en quinconce pour pallier au manque de place disponible pour l’installation d’un tel réseau. Notons que la proximité des réseaux d’émission et de récep-tion (∼100 m) et l’environnement électromagnétique défavorable (présence de masses métalliques importantes, interférences) ont obligé à un effort important pour le traitement des signaux de manière à disposer de cartes de vitesses radiales exploitables. Grace à la disponibilité d’un site proche, le réseau d’émission a pu être éloigné du réseau de réception en mars 2013 de façon à réduire les couplages entre antennes. La distance entre les deux réseaux, de l’ordre de 500 m, permet de considérer ce système comme monostatique. Cette station a fonctionné seule pendant près d’un an et demi, nous conduisant à développer des méthodes pour exploiter ces données, par nature incomplète pour décrire totalement le courant de surface (section 1.3, Marmain et al.,

2011, et chap. 3.1-3.2).

L’évolution de la couverture spatiale sur la période du 21 mai 2010 au 30 juin 2013 est montrée sur la Fig.1.4(haut) et représente la proportion à chaque instant des points disponibles

26 Chapitre 1. Le radar courantométrique

par rapport au nombre total de points à l’intérieur d’une zone prédéterminée, représentée sur la Fig.1.5(a). Ce masque, construit arbitrairement, permet d’éliminer les zones où la présence de données aberrantes est connue (e.g. terre ou zone à faible couverture). Les fluctuations de la couverture sont dues à une forte sensibilité du système à la vitesse du vent, causée par des couplages EM complexes. Le taux de couverture diminue quand la vitesse du vent augmente (non montré), conduisant à une mauvaise observation du courant de surface par épisode de vent fort. La distribution spatiale de la couverture temporelle, calculée sur la même période, montre que la zone côtière située jusqu’à 50 km de PEY est couverte par les observations radar plus de 50% du temps.

Le second système a été installé en novembre 2011. Il s’agit d’un système bistatique dont le réseau d’émission est celui de PEY et le réseau de réception est un système WERA de 8 antennes linéaires installé au sémaphore du cap Bénat (Fig.1.5(b)). Ce système est dénommé BEN dans la suite. Les couvertures spatiale et temporelle sont montrées sur les Fig.1.4 (milieu) et1.5(b), respectivement. Bien qu’à cause du masque représenté par les îles d’Or qui ne permet d’observer les vitesses de surface qu’à travers la passe située entre l’île de Porquerolles et l’île de Port Cros, la zone de couverture à 50% s’étend à plus de 50 km au Sud et les couvertures spatiales sont le plus souvent supérieures à 60% de l’étendue du masque.

Les vitesses radiales mesurées par PEY et BEN ont fait l’objet d’une combinaison pour l’ob-tention de carte de courants vectoriels de surface (Cf. section 1.2.3.2). La géométrie du système PEY/BEN est représentée sur la Fig.1.6(a). Dans l’annexe D nous expliquons comment des erreurs sur les vitesses vectorielles peuvent être amplifiées à cause de la dilution de précision géométrique (GDOP) dépendant de l’angle entre les directions radiales. Généralement, il est considéré que les vitesses vectorielles situées dans des zones où les angles entre les radiales sont compris entre 30˚et 150˚, ou de manière équivalente où la GDOP est inférieure à 2.5, contiennent des erreurs acceptables. La surface grise de la Fig. 1.6(a) représente cette zone. La zone où les vitesses vectorielles peuvent être calculées apparaît relativement faible par rapport aux zones de couverture des vitesses radiales. Elle s’étend sur une surface de moins de 30×30 km, limitant l’observation du CN.

L’installation d’un réseau d’émission sur l’île de Porquerolles au mois de mai 2012 à permis d’améliorer nettement la zone de couverture vectorielle. Ce réseau d’émission, constitué d’une antenne, couplé au réseau de réception du cap Bénat constitue un système bistatique qui sera dénommé POB (Porquerolles-Bénat) par la suite (Fig.1.5(c)). Les cartes de couvertures spatiales et temporelles pour la période du 24 mai 2012 au 30 juin 2013 sont présentées sur les Fig.1.4(bas) et1.5(c). Bien que le masquage des îles soit toujours présent, l’extension spatiale de la couverture est nettement améliorée par rapport à BEN. Les couvertures sont supérieures à 50% jusqu’à 60 km de l’île de Porquerolles et de 20 à 50 % derrière les îles

Ainsi la configuration PEY/POB qui fonctionne avec un mode innovant de synchronisation par GPS, permet de mesurer des vitesses radiales qui après combinaison permettent d’obtenir des cartes de courants vectoriels de surface sur une zone d’environ 50×50 km, bien plus étendue que dans la configuration PEY/BEN (Fig.1.6(b)).

Les principales étapes des installations sont récapitulées dans le Tab.1.3 et permettent d’ex-pliquer l’absence de données sur la Fig.1.4. Notons qu’une autre configuration constitué d’un

1.2 Traitement et validation des vitesses radar HF 27

réseau d’émission situé au fort de Brégançon (∼ 2 km à l’Ouest du cap Bénat) couplé aux ré-seaux de réception du fort Peyras (BTP) et du cap Bénat (BTB) a été testée mais non retenue, les mesures étant de moins bonne qualité.

Table1.3 – Principales étapes de l’installation des réseaux d’émission (TX) et de réception (RX) des radars HF sur la côte varoise. Mis à jour en juin 2013.

Date Description

21/05/2010 Installation TX/RX PEY

21/05/2010 - 15/11/2011 PEY seul

15/11/2011 Installation RX BEN

15/11/2011 - 23/05/2012 PEY + BEN

30/11/2011 - 06/12/2011 Test TX Brégançon-RX BEN (BTB) 02/12/2011 - 06/12/2011 Test TX Brégançon-RX PEY (BTP)

24/05/2012 Installation TX Porquerolles

24/05/2012 - aujourd’hui PEY + POB

04/10/2012 - 21/11/2012 coupure PEY pour entretien

13/03/2013 Déplacement TX PEY à Amphitria

2010 2011 2012 2013

POB BEN PEY

Figure 1.4 – Évolution temporelle des couvertures spatiales pour les stations PEY (haut), BEN (milieu) et POB (bas). Les points bleus indiquent les valeurs de couverture à un instant donné. Les points rouges représentent des couvertures nulles.

28 Chapitre 1. Le radar courantométrique

(a) PEY

(b) BEN (c) POB

Figure 1.5– Cartes de couverture temporelle de la vitesse radiale avec masquage des zones pré-sentant des solutions manifestement aberrantes. Les isobathes -100, -1000 et -2000 m sont également indiquées par les lignes grises. Les stations HFR sont représentées par les triangles gris.

5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 42.4 42.5 42.6 42.7 42.8 42.9 43 43.1 1.5 2 2 2.5 2.5 3 3 3 3.5 3.5 4 4 0.5 1 1 1 1.5 1.5 1.5 2 2 2 2.5 2.5 2.5 3 3 3.5 3.5 4 4 4.5 4.5 5 5 2.5 2.5 2.5 30 30 40 50 60 70 30 30 Longitude (deg E) Latitude (deg N) (a) PEY-BEN 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 42.4 42.5 42.6 42.7 42.8 42.9 43 43.1 0.5 0.5 1 1.5 1.5 1.5 2 2 2 2 2 2.5 2.5 2.5 2.5 3 3 3 3 3 3 3.5 3.5 3.5 4 4 4 4 4 4.5 4.5 4.5 5 5 5 5 5 0.5 0.5 1 1 1 1.5 1.5 1.5 2 2 2 2.5 2.5 2.5 3 3 3 3 3.5 3.5 4 4 4 4 4.5 4.5 4.5 5 5 5 2.5 2.5 2.5 2.5 30 30 30 40 40 50 50 60 60 70 80 90 100 110120130140150 30 30 30 90 Longitude (deg E) Latitude (deg N) (b) PEY-POB

Figure 1.6 – Informations géométriques des configurations (a) PEY-BEN et (b) PEY-POB. Di-lution de précision géométrique (GDOP, bleu) pour les composantes U (traits pleins) et V (traits pointillés) du courants. Les valeurs de GDOP montrées vont de 0 à 5 par pas de 0.5. L’isoligne de GDOP 2.5 résultante de U et V est tracé en bleu gras. Les angles entre les directions radiales compris entre 30˚et 150˚(par pas de 10˚) sont également montrés (rouge). Les isolignes 30˚et 90˚sont indiquées en rouge gras. Les zones grises représentent la zone telle que la GDOP est inférieure à 2.5 et l’angle entre les radiales est compris entre 30˚et 150˚. La position du système PEY est représenté par un triangle magenta. Les systèmes BEN et POB sont représentés par des triangles vert. Les isobathes -100, -1000 et -2000 m sont également indiquées par les lignes grises.

1.2 Traitement et validation des vitesses radar HF 29

Ces radars sont des WERA fonctionnant à 16.15 MHz émettant en continu des chirps modulés en fréquence avec une largeur de bande de 50 kHz. Nous pouvons en déduire la résolution radiale et la précision sur la mesure des vitesses en utilisant les Eq.1.9-1.11. Les différentes valeurs carac-téristiques du système sont récapitulées dans le Tab.1.4. Du fait de la disposition des antennes de réception particulièrement irrégulière (très éloignée de la disposition linéaire) imposée par le site du fort Peyras, un traitement azimutal DF s’est imposé. Basée sur l’algorithme MUSIC, il permet d’obtenir une discrétisation azimutale arbitraire de 2˚, soit 0.35 km (2.8 km) à une distance de 10 km (80 km) du radar. Récemment,Sentchev et al. (2011) ont comparé les cartes provenant d’un traitement par formation de voie (BF) et d’un traitement par direction d’arrivée (DF) en mer d’Iroise et constatent, tout en retrouvant les mêmes schémas de vitesse, que ceux-ci sont étalés le long de la direction azimutale dans le cas du BF conduisant à une moins bonne représentation du champ de vitesse de surface.

Les cartes vectorielles de courant issues de ce système sont disponibles sur le site http: //hfradar.univ-tln.fret alimentent le réseau MOOSE.

Ce travail de thèse a débuté avec l’acquisition des premières mesures de vitesses radiales de PEY et nous avons naturellement utilisé des données provenant de traitements qui ont bénéficié d’améliorations au fil du temps. En particulier, le travail présenté dans ce manuscrit s’appuie sur deux jeux de données. Le premier, dénommé v944, issu d’un traitement routinier appliqué jusqu’en juin 2013, sera utilisé dans le chapitre3. Le second, dénommé v945, est issu d’un nouveau traitement appliqué à l’ensemble des données lors d’un retraitement effectué en août-septembre 2013. Il sera utilisé dans les autres chapitres. La principale différence avec le traitement v944 est de bénéficier d’une nouvelle prise en compte du diagramme de rayonnement des antennes réel permettant de mieux localiser les sources de courant lors de l’utilisation de l’algorithme MUSIC.

Table 1.4– Caractéristiques des radars HF de la côte varoise.

Paramètre Valeur

Fréquence centrale du radar, f₀ 16.15 MHz

Longueur d’onde du radar, λ 18.58 m

Longueur d’onde de la vague de Bragg, L_B 9.29 m

Largeur de bande , B 50 kHz

Résolution radiale brute, ∆R 3000 m

Discrétisation azimutale, ∆θ 2˚

Durée de la vacation, ∆T 17.8 min

Nombre de chirps émis, N_chirp 4096

Durée d’un chirp, δt 0.26s

N_vac 4

Résolution de la fréquence Doppler, δf_d 3.8 × 10−3 Hz

Résolution de vitesse, δv_r 3.5 × 10−2 m/s

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