STUDY AREA AND RADAR SYSTEMS

RHF: un bref historique

Le premier système de télédétection Haute Fréquence utilisé pour la mesure des courants de surface était le CODAR qui a été développé en 1977 par le Laboratoire de Propagation des Ondes (WPL, Wave Propagation Laboratory), appelé maintenant Laboratoire des Technologies Environnementales, de la <<National Oceanic and Atmospheric Administration» (NOAA) (Barrick et al. 1977; Barrick et al. 1985). Les radars se sont beaucoup développés par la suite en se basant sur les CODARs, en changeant de configuration spatiale des antennes au Royaume Uni par la compagnie Marconi qui développait les OSCR (Ocean Surface Current Radar, Prandle et al. 1993) et en Allemagne (Gurgel et al. 1986), puis aux Etats-Unis avec la création d’une deuxième génération de CODARs appelée SeaSonde (Paduan et Rosenfeld 1996; Barrick et Lipa 1997; Paduan et Cook 1997). Les COD ARs ainsi que les OSCRs ont été utilisés à bord de navires par Gurgel et Essen (2000) et Peters et Skop (1997), respectivement. Indépendamment des CODARs, le développement des radars HF s’est aussi effectué au Centre for Cold Ocean Resources Engineering (C-Core) au Canada (Khan et Mitchell 1991 ; Hickey et al. 1995), au Royaume Uni à l’université de Birmingham (Shearman et Moorhead 1988), à l’université de Toulon en France (Broche et al. 1987) et en Australie (Heron 1987).Environ une dizaine d’années après, l’université de Hambourg a développé un nouveau radar HF appelé Wellen Radar (WERA) utilisant des techniques différentes de celles des CODARs (Barrick 1978; Gurgel et al., 1999a; Paduan et Washbum 2013).

Résolution angulaire

La différence principale entre les CODARs et les WERAs tient à la technique utilisée pour détenniner l’azimut des signaux reçus et à la configuration des antennes de réception permise par cette technique. CODAR a opté pour une unique antenne de réception (Figure 5, panneau de gauche),constituée de trois éléments: deux boucles verticales entrecroisées et orientées à 90° l’une de l’autre, et un monopole vertical au centre. La technique pour détenniner l’azimut des signaux est appelée direction finding et l’algorithme utilisé est appelé MUSIC (Multiple Signal Classification, Schmidt 1986; Barrick et Lipa 1997). Pour chaque décalage en fréquence autour du décalage de Bragg, qui correspond à une valeur particulière de courant radial, un ou plusieurs azimuts sont détenninés par l’algorithme. Avec la configuration d’antenne de réception choisie pour les CODARs, au maximum deux azimuts peuvent être déterminés. Une fois tous les décalages en fréquence analysés, les courants radiaux sont triés par azimuts et moyennés dans des bandes azimutales de 5 degrés. WERA est plus flexible quant à la configuration des antennes de réception. La configuration la plus compacte consiste en 4 antennes (monopoles verticaux) disposées en carré dont la diagonale mesure la moitié de la longueur d’onde transmise, À /2. Avec cette configuration, la technique pour détenniner l’azimut des signaux est le direction finding,mais l’algorithme diffère de celui utilisé par les CODARs, car il se base sur les différences de phase entre chaque paire d’antennes. L’autre configuration consiste en un réseau de plusieurs antennes (généralement entre 8 et 16), disposées linéairement ou non (Figure 5, panneau de droite), chaque antenne ne devant pas être à plus de À /2 des antennes adjacentes. La technique pour déterminer la direction des signaux est la fonnation de faisceau (beam-forming), où des déphasages sont ajoutés aux enregistrements de chaque antenne en post-traitement afin que seuls les signaux provenant d’une direction particulière s’additionnent constructivement entre toutes les antennes. La résolution angulaire du beamforming est reliée à la largeur du faisceau synthétique créé en post-traitement, qui dépend du nombre d’antennes utilisées et de l’azimut. Pour 16 antennes séparées de À /2 et en réseau linéaire, la largeur du faisceau varie de 7,5 degrés dans la direction perpendiculaire à celle du réseau d’antennes, à 15 degrés lorsqu’on s’écarte de cette direction de 60 degrés (Paduan et Graber 1997; Teague et al. 1997; Gurgel et al. 1999a; Essen et al. 2000; Paduan et Washburn 2013). Pour un réseau linéaire de 12 antennes, tel qu’utilisé à PAO, la largeur du faisceau varie de 10 à 21 séparées de À /2.

HFR coverage versus ice concentration averaged over wind fetches

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 matières

REMERCIEMENTS
RESUME
ABSTRACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, 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
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES