STUDY AREA AND RADAR SYSTEMS

RHF: un bref historique

ย  ย Le premier systรจme de tรฉlรฉdรฉtection Haute Frรฉquence utilisรฉ pour la mesure des courants de surface รฉtait le CODAR qui a รฉtรฉ dรฉveloppรฉ en 1977 par le Laboratoire de Propagation des Ondes (WPL, Wave Propagation Laboratory), appelรฉ maintenant Laboratoire des Technologies Environnementales, de la <<National Oceanic and Atmospheric Administrationยป (NOAA) (Barrick et al. 1977; Barrick et al. 1985). Les radars se sont beaucoup dรฉveloppรฉs par la suite en se basant sur les CODARs, en changeant de configuration spatiale des antennes au Royaume Uni par la compagnie Marconi qui dรฉveloppait les OSCR (Ocean Surface Current Radar, Prandle et al. 1993) et en Allemagne (Gurgel et al. 1986), puis aux Etats-Unis avec la crรฉation d’une deuxiรจme gรฉnรฉration de CODARs appelรฉe SeaSonde (Paduan et Rosenfeld 1996; Barrick et Lipa 1997; Paduan et Cook 1997). Les COD ARs ainsi que les OSCRs ont รฉtรฉ utilisรฉs ร  bord de navires par Gurgel et Essen (2000) et Peters et Skop (1997), respectivement. Indรฉpendamment des CODARs, le dรฉveloppement des radars HF s’est aussi effectuรฉ au Centre for Cold Ocean Resources Engineering (C-Core) au Canada (Khan et Mitchell 1991 ; Hickey et al. 1995), au Royaume Uni ร  l’universitรฉ de Birmingham (Shearman et Moorhead 1988), ร  l’universitรฉ de Toulon en France (Broche et al. 1987) et en Australie (Heron 1987).Environ une dizaine d’annรฉes aprรจs, l’universitรฉ de Hambourg a dรฉveloppรฉ un nouveau radar HF appelรฉ Wellen Radar (WERA) utilisant des techniques diffรฉrentes de celles des CODARs (Barrick 1978; Gurgel et al., 1999a; Paduan et Washbum 2013).

Rรฉsolution angulaire

ย  La diffรฉrence principale entre les CODARs et les WERAs tient ร  la technique utilisรฉe pour dรฉtenniner l’azimut des signaux reรงus et ร  la configuration des antennes de rรฉception permise par cette technique. CODAR a optรฉ pour une unique antenne de rรฉception (Figure 5, panneau de gauche),constituรฉe de trois รฉlรฉments: deux boucles verticales entrecroisรฉes et orientรฉes ร  90ยฐ l’une de l’autre, et un monopole vertical au centre. La technique pour dรฉtenniner l’azimut des signaux est appelรฉe direction finding et l’algorithme utilisรฉ est appelรฉ MUSIC (Multiple Signal Classification, Schmidt 1986; Barrick et Lipa 1997). Pour chaque dรฉcalage en frรฉquence autour du dรฉcalage de Bragg, qui correspond ร  une valeur particuliรจre de courant radial, un ou plusieurs azimuts sont dรฉtenninรฉs par l’algorithme. Avec la configuration d’antenne de rรฉception choisie pour les CODARs, au maximum deux azimuts peuvent รชtre dรฉterminรฉs. Une fois tous les dรฉcalages en frรฉquence analysรฉs, les courants radiaux sont triรฉs par azimuts et moyennรฉs dans des bandes azimutales de 5 degrรฉs. WERA est plus flexible quant ร  la configuration des antennes de rรฉception. La configuration la plus compacte consiste en 4 antennes (monopoles verticaux) disposรฉes en carrรฉ dont la diagonale mesure la moitiรฉ de la longueur d’onde transmise, ร€ /2. Avec cette configuration, la technique pour dรฉtenniner l’azimut des signaux est le direction finding,mais l’algorithme diffรจre de celui utilisรฉ par les CODARs, car il se base sur les diffรฉrences de phase entre chaque paire d’antennes. L’autre configuration consiste en un rรฉseau de plusieurs antennes (gรฉnรฉralement entre 8 et 16), disposรฉes linรฉairement ou non (Figure 5, panneau de droite), chaque antenne ne devant pas รชtre ร  plus de ร€ /2 des antennes adjacentes. La technique pour dรฉterminer la direction des signaux est la fonnation de faisceau (beam-forming), oรน des dรฉphasages sont ajoutรฉs aux enregistrements de chaque antenne en post-traitement afin que seuls les signaux provenant d’une direction particuliรจre s’additionnent constructivement entre toutes les antennes. La rรฉsolution angulaire du beamforming est reliรฉe ร  la largeur du faisceau synthรฉtique crรฉรฉ en post-traitement, qui dรฉpend du nombre d’antennes utilisรฉes et de l’azimut. Pour 16 antennes sรฉparรฉes de ร€ /2 et en rรฉseau linรฉaire, la largeur du faisceau varie de 7,5 degrรฉs dans la direction perpendiculaire ร  celle du rรฉseau d’antennes, ร  15 degrรฉs lorsqu’on s’รฉcarte de cette direction de 60 degrรฉs (Paduan et Graber 1997; Teague et al. 1997; Gurgel et al. 1999a; Essen et al. 2000; Paduan et Washburn 2013). Pour un rรฉseau linรฉaire de 12 antennes, tel qu’utilisรฉ ร  PAO, la largeur du faisceau varie de 10 ร  21 sรฉparรฉes de ร€ /2.

HFR coverage versus ice concentration averaged over wind fetches

ย  ย For both HFR types CODAR (PAP, STF) and WERA (PAO), the daily HFR currents coverage Ai obtained during winter 2013 has been normalized by the estimated ice-free coverage Am. As a first step, this normalized HFR coverage r= A/Am has been plotted versus the daily-averaged concentration of sea ice spatially-averaged over the entire observational area shown in Figure 7 (Figure 20 a,c,e). The relationship is still not clear for CODARs. The normalized coverage r sometimes exceeds 1 because Equation 6 used to estimate the expected ice-free coverage is a fit to data with a strong scatter (Figure 14). As a second step, the normalized HFR coverage has been plotted versus ice concentration averaged over wind fetch areas (Figure 20 b,d,f), leading to a clearer relationship (R2~67%) between the radar performance and sea ice concentration. Figure 20 a,c,e is very similar to figure 10, so the normalisation of the winter coverages by the estimated radars coverages in ice-free conditions could not isolate the ice effect. However, figure 20 b,d,f shows clearer relationship, showing that averaging ice over wind fetches instead of only the area covered by the HFRs was necessary to highlight sea ice effects. The normalization is however required to compare HF radars operating at different frequencies.

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Table des matiรจres

REMERCIEMENTS
RESUME
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRร‰VIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
LISTE DES SyMBOLES
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE PERFORMANCE OF HIGH FREQUENCY CODAR AND WERA RADARS TO MEASURE OCEAN CURRENTS IN PARTIALLY ICE-COVERED WATERS
1.1. INTRODUCTION
1.2. STUDY AREA AND RADAR SYSTEMS
1.2.1. The area
1.2.2. HFRs
1.3. DATA AND METHODOLOGY
1.3.1. Oceanographie and meteorological data
1.3.2. Data processing
1.4. RESULTS
1.4.1. HFR coverage compared to ice concentration
1.4.2. Effect of wind and waves on HFR performance
1.5. DISCUSSION AND CONCLUSION
1.5.1. Parameters affecting both HFR types measurements
1.5.2. HFR types differences
CONCLUSION GENERALE
Rร‰Fร‰RENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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