WO1999050675A1 - Method and device for chronologically measuring ocean current velocity vertical profiles - Google Patents

Method and device for chronologically measuring ocean current velocity vertical profiles Download PDF

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WO1999050675A1
WO1999050675A1 PCT/FR1998/000661 FR9800661W WO9950675A1 WO 1999050675 A1 WO1999050675 A1 WO 1999050675A1 FR 9800661 W FR9800661 W FR 9800661W WO 9950675 A1 WO9950675 A1 WO 9950675A1
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WO
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probe
platform
ascent
axis
measurement
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Application number
PCT/FR1998/000661
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French (fr)
Inventor
Jean-Paul Guinard
Original Assignee
Societe Bretonne D'instrumentation Oceanographique Brio
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B22/00—Buoys
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G01C13/004—Measuring the movement of open water vertical movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring the profiles of the three components of the current along a column of ocean water, and for collecting the corresponding data towards a Processing Center. It 0 uses some of the principles described in French patent applications No. 95 03269 of March 21, 1995 and No. 95 12996 of November 3, 1995, the priorities of which are claimed in the patent application PCT / FR96 / 00418 filed on March 20 1996, on behalf of the Bretonne 5 Oceanographic Instrumentation Company BrIO. Invention background
  • Measuring the speed of deep currents in the ocean has many applications, in particular in the following fields: scientific research 0 (physical, chemical and biological oceanography), operational monitoring of the transport of materials by the ocean (in particular pollutants), operational monitoring of energy transport in the oceans (meteorology, climate forecasting), forecasting the propagation of sound waves (military applications).
  • scientific research 0 physical, chemical and biological oceanography
  • operational monitoring of the transport of materials by the ocean in particular pollutants
  • operational monitoring of energy transport in the oceans metaleorology, climate forecasting
  • forecasting the propagation of sound waves military applications.
  • the main object of the present invention is to satisfy this new demand; it is also of interest for the generation of time series of observations not intended to feed a dynamic model, when the corresponding needs are not satisfied by current instruments, due to their performance or implementation limitations.
  • the oldest and most widespread consists of a set of mechanical or acoustic current meters equipped with a magnetic compass, oriented by a tail in the direction of the current, arranged at various levels along a line anchored at the bottom of the sea. Generally, the vertical component of current velocity is not measured by these instruments. (Cf. for example the work entitled: "Evolution of Physical Oceanography, of Bruce S. arren and Cari unsch, The MIT Press”). The data is stored in a mechanical memory (for the older current meter models) or electronic memory (for the newer models). Data are collected by reading the anchor line.
  • This method allows only discrete measurements at a limited number of points in the water column; the difficulty of its implementation strongly increases with the depth; it requires expensive means at sea for the mooring and the recovery of the instruments, provides the data only long after the observation of the phenomena, is not (or hardly) susceptible of an automation of the transmission and the collection measurements; powered by sources 3 of energy of limited capacity, it is not designed to operate for periods longer than a year, in general.
  • the directional current meter is mounted on a carriage sliding along the cable of a mooring line (so-called "YOYO" system).
  • YOYO mooring line
  • ADCP Acoustic Doppler Current Profilers
  • a transmitter-receiver assembly with three acoustic channels, associated with directional transducers.
  • Analysis of the signal echo round trip time, Doppler, differences in Dopplers received between the three channels, levels of signals received on each of the three channels) makes it possible to determine the three components of the velocities of said particles, and so current.
  • Such a system has numerous advantages for carrying out continuous and automatic measurements of current profiles; on the other hand, it is very limited in scope (this itself being a function of the quantity of bubbles or particles in suspension) (see for example PCT patent WO 92/05456).
  • drifting floats with controlled immersion to achieve 4 measurements of the profile of the speed of the deep current: these floats are used as plotters of the circulation of the body of water, at a set point immersion.
  • the immersion setpoint can be changed by recorded program or by remote control, and thus measurements can be made at different depth levels.
  • the present invention aims to provide a method and a device for producing vertical profiles of the measurement of a sea current making it possible to generate chronological series of measurements at a point chosen by the operator, to carry out a spatiotemporal sampling of measurements of sea currents throughout a predetermined area, to collect and transmit the data collected in near real time and in a format allowing automatic assimilation by a digital model of traffic, in a Ground Processing Center.
  • the invention provides a device comprising, a / a platform capable of being cast on the seabed, this platform carrying at least one measurement probe and means for releasing that -this at a predetermined instant, said probe comprising means sensitive to hydrostatic pressure for measuring the vertical distance of the probe relative to the seabed, along its ascent trajectory, and b) interferometric means distributed between the platform and a dropped probe for recording the bearing angles and the height of the axis passing through the platform and said dropped probe, all along the ascent path thereof, and c) means for processing and transmission of the measurement signals to extract from them the components of the speed vector of the sea current throughout the ascent path of the probe.
  • said interferometric means comprise an acoustic beacon transmitter fixed on the platform and a reception assembly installed on the probe.
  • Fig.l shows a section through a vertical plane passing through its axis of symmetry, of the entire 6 device according to the invention, ("the station"), in the configuration it occupies before its immersion,
  • FIG. 3 a representation of the sequence of events characteristic of the method according to the invention
  • FIG. 6 a diagram showing the geometry of an interferometric reception device
  • FIG. 7 a block diagram representing the diagram of the electrical and electronic organs of a platform forming part of the device according to the invention
  • FIG. 8 a block diagram representing the diagram of the electrical and electronic members of the probe of FIG. 2.
  • the device that is the subject of the invention consists of one or more stations (Fig.l) intended to be sunk on the seabed by ship or aircraft (Fig.3) .
  • Each station has a platform 1 lighter than water, connected to a ballast 4 by a rope 3.
  • the platform 1 carries, when it is launched, several probes 2 designed to be dropped from the bottom on command of a programmer 8, then to go up towards the surface under the effect of their own buoyancy. The probes are considered as lost.
  • Platform 1 and probes 2 are equipped with instruments which allow the probe to be positioned relative to the platform throughout its ascent, and electronic means which record the positioning data collected 7 during the ascent, then transmit them to a processing center via a data collection satellite quickly (within a few hours) and without any manual intervention. In this Center, we reconstruct the current profile along the water column from these data.
  • the operator will record in (8) the sequence of release orders desired and anchor the station at the chosen location.
  • the operator will record the desired sampling programs in a plurality of stations, which will then be moored at the selected locations.
  • buoyancy center the buoyancy buoyancy P A , applied to the center of the displaced water body CoP ("buoyancy center")
  • the S probe is characterized by a symmetry of revolution around an axis on which its center of thrust and its center of mass are located, by great static and hydrodynamic stability and negligible dimensions compared to the thickness of the current layers to measure. Under these conditions, the kinematics of said probe in space
  • Oxyz can be compared to a pure translation during which its axis of symmetry remains parallel to
  • the probe is used as a tracer of sea currents along the water column.
  • Platform 1 is made up (Fig. 1 and 7) of a supporting structure comprising a central tube, a frame
  • This structure cleans cells 6 in each of which a probe is mechanically held 13
  • a probe 2 is made up (Fig. 2 and 8 ) of an ovoid body 12 of pressure-resistant glass, in which an orifice 13 is made. Its volume provides the assembly with the desired positive buoyancy.
  • a molded part 14 is fixed to the body 12 by fitting without play in the orifice 13 which it hermetically seals; it carries a doublet of acoustic transducers 15 and a pressure sensor 16 connected to the interior of the body 12 by overmolded electrical crossing cables, as well as appendages 17 serving as empennages for the probe and for fixing for the release wire. 11.
  • the empennages of the probe include helical fins in the manner of a log fish, intended to give the probe a rotational movement at constant speed during its ascent.
  • a two-channel acoustic receiver 18 connected to the pair of transducers 15, a magnetic north passage detector 19, a signal processing electronics 20, an electronics for measuring pressure 21 connected to the sensor 16, a microprocessor 22, a clock 23, a probe programmer 24, a radio frequency transmitter / coder 25 and its antenna 26, a battery 27.
  • the magnetic north passage detector 19 delivers a top indicating the instant of this passage from two pieces of information: the variation of the flux in a coil sensitive to the earth's magnetic field, and more precisely to the moments of zero crossing thereof.
  • the station prepared in the factory is wetted at the location chosen for profiling, either by slinging from a ship or by parachuting from an aircraft (Fig. 3, a, b).
  • the station sinks under the action of gravity, the weight of the ballast 4 being greater than the sum of the buoyancies of the platform 1 and the probes 2 (Fig. 3, c, d).
  • the platform programmer 8 sequentially releases the probes 2 (Fig. 3, e). This release is obtained simply by electrolysis in seawater of the wire 11, made for example of magnesium, a few minutes after application of an electrical potential between it and an electrode mounted on the chassis 5. The breaking of the wire The drop opens a monitoring circuit in the probe, which controls the energization of its electronics.
  • the probe 2 begins its ascent (Fig. 3, f) at an almost constant speed V A of the order of a few tens of cm / s, determined by its buoyancy and its hydrodynamic characteristics.
  • V A the speed of the order of a few tens of cm / s, determined by its buoyancy and its hydrodynamic characteristics.
  • the probe 2 is driven by the current, but the action of the dynamic and hydrodynamic forces which are exerted on its body 12 and its empennages 17 tend to maintain its vertical axis of revolution, and to generate a slow rotation ( around a few revolutions / minute) around this axis.
  • the positioning and data recording instruments (18,19,20,21,22) are activated; the data collected are stored in the memory of the microprocessor 22.
  • a 15 the arrival at the surface of the probe 2, detected either by the pressure sensor 16 or by a specialized detector (see the aforementioned patent application), the probe programmer 24 triggers (FIG. 3, g) a transmission procedure data collected to an ARGOS-type data collection satellite for subsequent retransmission to a Processing Center (Fig. 3, h).
  • the raw data to be used for reading the angles ⁇ (t) (deposit) and ⁇ (t) (height), are obtained from an acoustic interferometric device composed of the transmitter-beacon 9 fixed on the platform 1 (Fig.l), and a receiving assembly installed on the probe
  • FIG. 2 comprising: the pair of transducers 15, the two-channel receiver 18, the magnetic north passage detector 19, and the signal processing electronics 20.
  • the acoustic beacon transmitter 9 is energized; it emits a signal whose spectrum is a carrier of fixed and stable frequency, modulated by subcarriers themselves subharmonic of the carrier, and connected in phase with the latter.
  • the program is radiated to the upper half-plane.
  • the reception chain receives the corresponding signal.
  • the interferometric base formed by the pair of transducers (15) is animated, like the probe body, by a movement of rotation of vertical axis, around its axis of symmetry.
  • Signal processing is carried out in electronics 20 as follows:
  • the vertical distance D (t) is obtained by pressure measurements: difference between the pressure at the bottom and the pressure at time t, measured by the same measuring chain elements 16 and 21.
  • the probe body The probe body.
  • the external shape of the probe 2 (Fig. 2) is that of a spindle with tail elements, the assembly being of revolution around the axis of the spindle.
  • the assembly must be designed to: minimize the mass of the probe, ensure proper alignment of the center of thrust, center of mass, hydrodynamic drag and lift centers, the axis of the doublet on the axis of revolution , minimize the center of mass-metacentre lift distance, ensure a significant lift coefficient, set the center of drag as low as possible, ensure rapid damping of pitch / yaw movements, drive the whole in rotation at a speed of the order of a few rpm.
  • the probe electronics consists (Fig.8) of an acoustic receiver 18 with two channels connected to the dipole 18 of transducers 15, a magnetic north passage detector 19, a signal processing electronics 20, a pressure measurement electronics 21 connected to the sensor 16, a microprocessor 22, a clock 23, a probe programmer 24, a transmitter / radio frequency encoder 25 and its antenna 26, a battery 27.
  • the main scope of the invention relates to the provision of current measurement data to research, monitoring and forecasting organizations of ocean circulation using digital models.
  • the corresponding needs are expected to increase considerably over the next ten years, both for civil uses (for which the "Ocean Circulation” component of the "Global Ocean Observation System” Project) and for the military.
  • the invention responds particularly well to the needs of this new request for the following reasons: (1) the structure of the spatio-temporal mesh of the observations, Eulerian, is the same as that of the numerical models, which greatly facilitates the assimilation of the data and considerably increases the efficiency of sampling, (2) the possibility of choosing the geographical coordinates of the sites to be observed makes it possible to optimize the layout of the network to obtain the maximum experimental significance from it, (3) the possibility of carrying out simultaneous observations in various geographic locations also goes in this direction, (4) the possibility of transmitting the data in near real time and without any manual intermediary to the Processing Center makes it possible to automate the entire processing chain and reduce volumes considerable digital processing necessary to assimilate the data, (5) the economy of the means to put re implemented for 19 deploying, maintaining or extending the observation network is considerably weaker than with existing means, which use ships.
  • the profile measurement of the current velocities can be carried out in conjunction with that of other more conventional profile measurements such as temperature and salinity.
  • the grouping of these measurements in profile then provides a set of state and flow data particularly interesting for the registration of digital models of circulation and energy exchanges in the Ocean (See patent application PCT / FR96 / 00418 cited above).
  • the method and the device described can also be used for local ocean observation purposes, to collect data on the evolution of ocean currents during a season or several years, in a single site or in a small number of sites of interest to ocean research scientists or even supervisors of works operating at sea (oil platforms for example). Its application to these use cases will be all the more advantageous as the site to be observed will be distant and / or difficult to access, as the experimentation must relate to long periods of time (several years), and as the measurement will at least partially interest great depths.

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Abstract

The invention concerns a method which consists in using a sensor (2) lighter than the water released from a platform (1), wherein are measured and recorded within the sensor (2), throughout the surfacing trajectory thereof, a) the successive positions (υ, ζ) of an axis passing through the platform (1) and the sensor (2), b) the vertical distance separating said positions at the time when each position of said axis is measured, and deducing from said measurements and the computation of the sensor (2) rising velocity (VA), the three components (ux, uy, uz) of the ocean current velocity, vector, at each point of the trajectory followed by the sensor (2).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER CHRONOLOGIQUEMENT DES PROFILS VERΗCAUX DE LA VITESSE DE COURANTS MARINSMETHOD AND DEVICE FOR CHRONOLOGICALLY MEASURING VERΗCAL PROFILES OF THE SPEED OF SEA CURRENTS
DESCRIPTION DE L'INVENTION 5 Domaine technique de 1 ' inventionDESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention
L'invention porte sur un procédé et un dispositif de mesure des profils des trois composantes du courant le long d'une colonne d'eau océanique, et de collecte des données correspondantes vers un Centre de traitement. Elle 0 utilise certains des principes décrits dans les demandes de brevet français n° 95 03269 du 21 Mars 1995 et n° 95 12996 du 3 Novembre 1995, dont les priorités sont revendiquées dans la demande de brevet PCT/FR96/00418 déposée le 20 Mars 1996, au nom de la Société Bretonne 5 d'Instrumentation Océanograhique BrIO. Arrière-plan de l'inventionThe invention relates to a method and a device for measuring the profiles of the three components of the current along a column of ocean water, and for collecting the corresponding data towards a Processing Center. It 0 uses some of the principles described in French patent applications No. 95 03269 of March 21, 1995 and No. 95 12996 of November 3, 1995, the priorities of which are claimed in the patent application PCT / FR96 / 00418 filed on March 20 1996, on behalf of the Bretonne 5 Oceanographic Instrumentation Company BrIO. Invention background
La mesure de la vitesse des courants en profondeur dans l'Océan a de nombreuses applications, en particulier dans les domaines suivants: recherche scientifique 0 (océanographie physique, chimique et biologique) , surveillance opérationnelle du transport de matières par l'Océan (en particulier de polluants), surveillance opérationnelle du transport d'énergie dans les Océans (météorologie, prévision du climat) , prévision de la 5 propagation des ondes sonores (applications militaires) . Les résultats obtenus récemment dans l'observation de l'Océan par satellites d'une part, les progrès réalisés dans le développement de modèles numériques de la circulation océanique et des échanges océan-atmosphère 0 d'autre part, permettent d'envisager à brève échéance des progrès considérables dans la connaissance et la prévision de la circulation océanique. Ces progrès sont toutefois conditionnés pour une large part par la mise à disposition d'instruments de mesure de la circulation in situ, adaptésMeasuring the speed of deep currents in the ocean has many applications, in particular in the following fields: scientific research 0 (physical, chemical and biological oceanography), operational monitoring of the transport of materials by the ocean (in particular pollutants), operational monitoring of energy transport in the oceans (meteorology, climate forecasting), forecasting the propagation of sound waves (military applications). The results obtained recently in the observation of the Ocean by satellites on the one hand, the progress made in the development of numerical models of ocean circulation and ocean-atmosphere 0 exchanges on the other hand, allow to consider in brief considerable progress in the knowledge and forecast of ocean circulation is due. However, this progress is largely conditioned by the availability of appropriate in situ traffic measurement instruments
35 à ces nouveaux besoins (Voir par exemple le document intitulé "The Océan Observing System Development Panel, 235 to these new needs (see for example the document entitled "The Ocean Observing System Development Panel, 2
1995, Final report", Dr. orth D. Nowlin, Jr, Department of Oceanography, Texas A&M ϋniversity, Collège Station, Texas 77843-3146; fax (409) 845-0888).1995, Final report ", Dr. orth D. Nowlin, Jr, Department of Oceanography, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-3146; fax (409) 845-0888).
La présente invention vise principalement à satisfaire cette demande nouvelle; elle présente également un intérêt pour la génération de séries chronologiques d'observations non destinées à alimenter un modèle dynamique, lorsque les besoins correspondants ne sont pas satisfaits par les instruments actuels, par suite de leurs limitations de performances ou de mise en oeuvre.The main object of the present invention is to satisfy this new demand; it is also of interest for the generation of time series of observations not intended to feed a dynamic model, when the corresponding needs are not satisfied by current instruments, due to their performance or implementation limitations.
Plusieurs procédés et dispositifs ont été décrits pour réaliser des séries chronologiques de profils verticaux de mesure de la vitesse des courants marins à un emplacement géographique donné, dont la plupart sont utilisés couramment.Several methods and devices have been described for producing time series of vertical profiles for measuring the speed of sea currents at a given geographical location, most of which are commonly used.
Le plus ancien et le plus répandu est constitué d'un ensemble de courantomètres mécaniques ou acoustiques équipés d'un compas magnétique, orientés par un empennage dans le sens du courant, disposés à divers niveaux le long d'une ligne ancrée au fond de la mer. En général, la composante verticale de la vitesse du courant n'est pas mesurée par ces instruments. (Cf. par exemple l'ouvrage intitulé: "Evolution of Physical Oceanography, de Bruce S. arren et Cari unsch, The MIT Press") . Les données sont enregistrées dans une mémoire mécanique (pour les modèles de courantomètres les plus anciens) ou électronique (pour les modèles plus récents) . On recueille les données en relevant la ligne de mouillage. Ce procédé ne permet que des mesures discrètes en un nombre de points limités de la colonne d'eau; la difficulté de sa mise en oeuvre croit fortement avec la profondeur; il nécessite de coûteux moyens à la mer pour le mouillage et la récupération des instruments, ne fournit les données que longtemps après l'observation des phénomènes, n'est pas (ou peu) susceptible d'une automatisation de la transmission et de la collecte des mesures; alimenté par des sources 3 d'énergie de capacité limitée, il n'est pas conçu pour fonctionner pendant des durées supérieures à l'année, en général.The oldest and most widespread consists of a set of mechanical or acoustic current meters equipped with a magnetic compass, oriented by a tail in the direction of the current, arranged at various levels along a line anchored at the bottom of the sea. Generally, the vertical component of current velocity is not measured by these instruments. (Cf. for example the work entitled: "Evolution of Physical Oceanography, of Bruce S. arren and Cari unsch, The MIT Press"). The data is stored in a mechanical memory (for the older current meter models) or electronic memory (for the newer models). Data are collected by reading the anchor line. This method allows only discrete measurements at a limited number of points in the water column; the difficulty of its implementation strongly increases with the depth; it requires expensive means at sea for the mooring and the recovery of the instruments, provides the data only long after the observation of the phenomena, is not (or hardly) susceptible of an automation of the transmission and the collection measurements; powered by sources 3 of energy of limited capacity, it is not designed to operate for periods longer than a year, in general.
Dans une variante de ce dispositif, le courantomètre directif est monté sur un chariot coulissant le long du câble d'une ligne de mouillage (système dit "YOYO") . Ce système permet des mesures des trois composantes de la vitesse du courant en continu sur toute la hauteur d'eau. Il peut transmettre ses résultats de mesure en temps peu différé. Sa mise en oeuvre et son entretien sont coûteux (utilisation de navires pour la mise à l'eau et pour la récupération) et d'autant plus difficiles qu'on travaille par grande profondeur.In a variant of this device, the directional current meter is mounted on a carriage sliding along the cable of a mooring line (so-called "YOYO" system). This system allows measurements of the three components of the speed of the direct current over the entire water level. It can transmit its measurement results in little delayed time. Its implementation and maintenance are costly (use of vessels for launching and recovery) and all the more difficult when working at great depths.
D'autres dispositifs de mesure de profils verticaux de courants dits ADCP ("Acoustic Doppler Current Profilers") sont apparus plus récemment. Dans ces dispositifs, on dispose en surface ou sur le fond de la mer, un ensemble émetteur-récepteur à trois canaux acoustique, associé à des transducteurs directifs. On émet un faisceau d'ondes acoustiques, généralement haute fréquence (300 ou 600kHz par exemple) dans la direction de la verticale locale, et on observe le signal rétrodiffusé reçu par le récepteur sur les trois transducteurs par les particules en suspension dans l'eau. L'analyse du signal (temps d'aller- retour de l'écho, Doppler, différences des Dopplers reçus entre les trois canaux, niveaux des signaux reçus sur chacun des trois canaux) permet de déterminer les trois composantes des vitesses desdites particules, et donc du courant. Un tel système présente de nombreux avantages pour réaliser des mesures continues et automatiques de profils de courant; il est par contre très limité en portée (celle-ci étant elle-même fonction de la quantité de bulles ou de particules en suspension) (Voir par exemple le brevet PCT WO 92/05456) . Depuis une trentaine d'années, on a recours à des flotteurs dérivants à immersion contrôlée pour réaliser 4 des mesures de profil de vitesse du courant en profondeur: on utilise ces flotteurs comme traceurs de la circulation de la masse d'eau, à une immersion de consigne. On peut provoquer par programme enregistré ou par télécommande le changement de la valeur de consigne d'immersion et réaliser ainsi des mesures sur différents paliers de profondeur. Les possibilités d'un tel système utilisé en profileur de courant sont toutefois limitées, et sa mise en oeuvre lourde (les mesures de localisation font appel à un réseau de sources acoustiques) ; les possibilités de choix des sites et des profondeurs de sondage sont faibles. La réalisation d'historiques d'observations sur une zone donnée nécessite des interpolations qui obèrent la précision du résultat. Les données ne sont pas transmises en temps quasi-réel à l'utilisateur. Le nombre de points de mesure en profil est limité.Other devices for measuring vertical profiles of currents called ADCP ("Acoustic Doppler Current Profilers") have appeared more recently. In these devices, there is a surface-to-sea bottom, a transmitter-receiver assembly with three acoustic channels, associated with directional transducers. We emit a beam of acoustic waves, generally high frequency (300 or 600 kHz for example) in the direction of the local vertical, and we observe the backscattered signal received by the receiver on the three transducers by particles suspended in water . Analysis of the signal (echo round trip time, Doppler, differences in Dopplers received between the three channels, levels of signals received on each of the three channels) makes it possible to determine the three components of the velocities of said particles, and so current. Such a system has numerous advantages for carrying out continuous and automatic measurements of current profiles; on the other hand, it is very limited in scope (this itself being a function of the quantity of bubbles or particles in suspension) (see for example PCT patent WO 92/05456). For about thirty years, we have been using drifting floats with controlled immersion to achieve 4 measurements of the profile of the speed of the deep current: these floats are used as plotters of the circulation of the body of water, at a set point immersion. The immersion setpoint can be changed by recorded program or by remote control, and thus measurements can be made at different depth levels. The possibilities of such a system used in current profiler are however limited, and its heavy implementation (the location measurements call on a network of acoustic sources); the possibilities of choice of sites and depths of drilling are low. The making of observation histories on a given area requires interpolations which affect the accuracy of the result. Data is not transmitted in near real time to the user. The number of profile measurement points is limited.
Enfin, il convient de mentionner que certaines mesures de courant en profil sont réalisées à partir de navires ou d'engins remorqués, mais dans des domaines de profondeur limités.Finally, it should be mentioned that certain profile current measurements are made from ships or towed vehicles, but in limited depth areas.
La présente invention a pour but de fournir un procédé et un dispositif de réalisation de profils verticaux de la mesure d'un courant marin permettant de générer des séries chronologiques de mesures en un point choisi par l'opérateur, de réaliser un échantillonnage spatiotemporel de mesures de courants marins dans l'ensemble d'une zone prédéterminée, de collecter et de transmettre les données recueillies en temps quasi-réel et dans un format permettant une assimilation automatique par un modèle numérique de la circulation, dans un Centre de traitement au sol.The present invention aims to provide a method and a device for producing vertical profiles of the measurement of a sea current making it possible to generate chronological series of measurements at a point chosen by the operator, to carry out a spatiotemporal sampling of measurements of sea currents throughout a predetermined area, to collect and transmit the data collected in near real time and in a format allowing automatic assimilation by a digital model of traffic, in a Ground Processing Center.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de réalisation de profils verticaux de la mesure d'un courant marin depuis un fond marin jusqu'à la surface de l'eau, à l'aide d'une sonde de 5 mesure plus légère que l'eau, larguée à partir d'une plate-forme reposant sur ledit fond, caractérisé en ce qu'on mesure et enregistre à bord de la sonde, tout au long de la trajectoire de remontée de celle-ci, a) les positions angulaires successives d'un axe passant par la plate-forme et la sonde, b) la distance verticale séparant celles-ci au moment de la mesure de chaque position de cet axe, et on tire de ces mesures et de la connaissance de la vitesse ascensionnelle de la sonde, les trois composantes du vecteur vitesse du courant marin, en chaque point de la trajectoire suivie par la sonde.These objects of the invention are achieved, as well as others which will appear on reading the description which follows, with a process for producing vertical profiles for measuring a sea current from a seabed to the surface of the water, using a 5 lighter than water measurement, released from a platform resting on said bottom, characterized in that one measures and records on board the probe, all along the ascent path thereof , a) the successive angular positions of an axis passing through the platform and the probe, b) the vertical distance separating them at the time of the measurement of each position of this axis, and we draw from these measurements and knowledge of the rising speed of the probe, the three components of the speed vector of the ocean current, at each point of the trajectory followed by the probe.
Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention fournit un dispositif comprenant , a/ une plate-forme susceptible d'être coulée sur le fond marin, cette plate-forme portant au moins une sonde de mesure et des moyens pour larguer celle-ci à un instant prédéterminé, ladite sonde comportant des moyens sensibles à la pression hydrostatique pour la mesure de la distance verticale de la sonde par rapport au fond marin, tout au long de sa trajectoire de remontée, et b) des moyens interférométriques répartis entre la plate-forme et une sonde larguée pour le relevé des angles de gisement et de hauteur de l'axe passant par la plateforme et ladite sonde larguée, tout au long de la trajectoire de remontée de celle-ci, et c) des moyens de traitement et de transmission des signaux de mesure pour tirer de ceux-ci les composantes du vecteur vitesse du courant marin tout au long de la trajectoire de remontée de la sonde. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, lesdits moyens interférométriques comprennent un émetteur- balise acoustique fixé sur la plate-forme et un ensemble de réception installé sur la sonde.For the implementation of this method, the invention provides a device comprising, a / a platform capable of being cast on the seabed, this platform carrying at least one measurement probe and means for releasing that -this at a predetermined instant, said probe comprising means sensitive to hydrostatic pressure for measuring the vertical distance of the probe relative to the seabed, along its ascent trajectory, and b) interferometric means distributed between the platform and a dropped probe for recording the bearing angles and the height of the axis passing through the platform and said dropped probe, all along the ascent path thereof, and c) means for processing and transmission of the measurement signals to extract from them the components of the speed vector of the sea current throughout the ascent path of the probe. According to a preferred embodiment of the invention, said interferometric means comprise an acoustic beacon transmitter fixed on the platform and a reception assembly installed on the probe.
Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple: - la Fig.l représente une coupe par un plan vertical passant par son axe de symétrie, de l'ensemble du 6 dispositif selon l'invention, ("la station"), dans la configuration qu'il occupe avant son immersion,In the accompanying drawing, given only by way of example: - Fig.l shows a section through a vertical plane passing through its axis of symmetry, of the entire 6 device according to the invention, ("the station"), in the configuration it occupies before its immersion,
- la Fig.2, une coupe par un plan vertical passant par l'axe de symétrie d'une sonde formant partie du dispositif suivant l'invention,- Fig.2, a section through a vertical plane passing through the axis of symmetry of a probe forming part of the device according to the invention,
- la Fig.3, une représentation de la séquence d'événements caractéristiques du procédé selon 1 ' invention,FIG. 3, a representation of the sequence of events characteristic of the method according to the invention,
- la Fig. 4, un schéma géométrique de la cinématique de la sonde de la figure 2 pendant son ascension,- Fig. 4, a geometric diagram of the kinematics of the probe of FIG. 2 during its ascent,
- la Fig. 5, un schéma des forces s 'exerçant sur la sonde pendant son ascension,- Fig. 5, a diagram of the forces exerted on the probe during its ascent,
- la Fig. 6, un schéma mettant en évidence la géométrie d'un dispositif de réception interférométrique, - la Fig. 7, un diagramme-bloc représentant le schéma des organes électriques et électroniques d'une plate-forme formant partie du dispositif suivant l'invention,- Fig. 6, a diagram showing the geometry of an interferometric reception device, - FIG. 7, a block diagram representing the diagram of the electrical and electronic organs of a platform forming part of the device according to the invention,
- la Fig. 8, un diagramme-bloc représentant le schéma des organes électriques et électroniques de la sonde de la figure 2.- Fig. 8, a block diagram representing the diagram of the electrical and electronic members of the probe of FIG. 2.
Description détaillée de l'invention. Principe du procédé, composition du dispositif Le dispositif objet de l'invention se compose d'une ou de plusieurs station (s) (Fig.l) destinées à être coulées sur le fond de la mer par navire ou aéronef (Fig.3) . Chaque station comporte une plate-forme 1 plus légère que l'eau, reliée à un lest 4 par un orin 3. La plate-forme 1 emporte, au moment de sa mise à l'eau, plusieurs sondes 2 conçues pour être larguées du fond sur commande d'un programmeur 8, puis pour remonter vers la surface sous l'effet de leur propre flottabilité. Les sondes sont considérées comme perdables. Plate-forme 1 et sondes 2 sont équipées d'instruments qui permettent à la sonde de se positionner par rapport à la plate-forme tout au long de sa remontée, et de moyens électroniques qui enregistrent les données de positionnement recueillies 7 pendant l'ascension, puis les transmettent à un centre de traitement via un satellite de collection de données rapidement (sous quelques heures) et sans aucune intervention manuelle. Dans ce Centre, on reconstitue le profil de courant le long de la colonne d'eau à partir de ces données.Detailed description of the invention. Principle of the process, composition of the device The device that is the subject of the invention consists of one or more stations (Fig.l) intended to be sunk on the seabed by ship or aircraft (Fig.3) . Each station has a platform 1 lighter than water, connected to a ballast 4 by a rope 3. The platform 1 carries, when it is launched, several probes 2 designed to be dropped from the bottom on command of a programmer 8, then to go up towards the surface under the effect of their own buoyancy. The probes are considered as lost. Platform 1 and probes 2 are equipped with instruments which allow the probe to be positioned relative to the platform throughout its ascent, and electronic means which record the positioning data collected 7 during the ascent, then transmit them to a processing center via a data collection satellite quickly (within a few hours) and without any manual intervention. In this Center, we reconstruct the current profile along the water column from these data.
Pour générer une série chronologique de profils de courant à un emplacement de coordonnées géographiques choisies, l'opérateur enregistrera dans (8) la séquence d'ordres de largage désirée et mouillera la station à l'endroit choisi.To generate a time series of current profiles at a location with chosen geographic coordinates, the operator will record in (8) the sequence of release orders desired and anchor the station at the chosen location.
Pour générer des séries chronologiques de vues synoptiques d'une zone à explorer, l'opérateur enregistrera les programmes d'échantillonnage désirés dans une pluralité de stations, qui seront mouillées ensuite aux emplacements choisis.To generate time series of synoptic views of an area to be explored, the operator will record the desired sampling programs in a plurality of stations, which will then be moored at the selected locations.
Dynamique de la sonde.Dynamics of the probe.
Soit une sonde 2 (Fig.5), plus légère que l'eau de mer, en mouvement libre dans celle-ci après largage d'une plate-forme 1 posée sur le fond de la mer. Les mouvements de la sonde 2 (de son centre de masse d'une part, autour de celui-ci d'autre part) par rapport à un repère (Oxyz) lié à la terre se décomposent en:Either a probe 2 (Fig. 5), lighter than sea water, in free movement in it after dropping a platform 1 placed on the seabed. The movements of probe 2 ( from its center of mass on the one hand, around it on the other hand) compared to a landmark (Oxyz) linked to the earth break down into:
(1)- une composante d'ascension verticale de vitesse (V A) Ie long de la colonne d'eau dû à la composition des forces suivantes:(1) - a vertical ascent component of speed ( V A ) I e along the water column due to the composition of the following forces:
- la pesanteur terrestre Pτ=mg, appliquée au centre de masse CdM de la sonde,- Earth's gravity P τ = mg, applied to the center of mass CdM of the probe,
- la poussée d'Archimède PA, appliquée au centre de la masse d'eau déplacée CdP ("centre de poussée"),- the buoyancy buoyancy P A , applied to the center of the displaced water body CoP ("buoyancy center"),
- la traînée hydrodynamique du corps de sonde TH=f(VR) . Cette force s'applique au point CH. Comme, par construction, le corps de sonde est de révolution autour de son axe, que centre de masse, centre de poussée et point d'application de TH sont alignés et disposés de manière à fournir une grande stabilité (CH extérieur au 8 segment CdG-CdP) , l'équilibre se réalise, compte tenu des hypothèses faites, pour une valeur de VA telle que TH=PA-PT-- the hydrodynamic drag of the probe body T H = f (V R ). This force applies to point C H. As, by construction, the probe body is of revolution around its axis, that center of mass, center of thrust and point of application of T H are aligned and arranged so as to provide great stability (C H outside the 8 segment CdG-CdP), the balance is achieved, taking into account the assumptions made, for a value of V A such that T H = PA-PT-
(2) - une composante d'entraînement due au courant rencontré par la sonde 2 à chaque niveau de la colonne d'eau, lors de son ascension.(2) - a drive component due to the current encountered by the probe 2 at each level of the water column, during its ascent.
Si le vecteur courant u reste constant entre deux instants successifs t et t+dt, le mouvement relatif de la sonde par rapport à la masse d'eau se réduit à une translation verticale de vitesse VA ; dans un repère lié à la terre, le vecteur vitesse V de la sonde 2 résulte de la composition des vecteurs VA et u . Aucune force extérieure ne s'ajoute à celles décrites au point (1) ci- dessus: l'axe de la sonde reste vertical.If the current vector u remains constant between two successive instants t and t + dt, the relative movement of the probe with respect to the mass of water is reduced to a vertical translation of speed V A ; in a reference frame linked to the earth, the speed vector V of the probe 2 results from the composition of the vectors V A and u. No external force is added to those described in point (1) above: the axis of the probe remains vertical.
Si au contraire, le vecteur u varie entre deux instants successifs, une force K*(dVD/dt) est appliquée à la sonde, dans laquelle K est le coefficient de portance de la sonde dans la direction exercée par ladite force en un point MP (métacentre de portance de la sonde) , et VD la vitesse "de dérive" de la sonde par rapport au milieu environnant. Cette force est équilibrée par l'inertie mγ de la sonde, appliquée au centre de masse CdM de celle-ci: K*(dVD/dt)= mγ Il en résulte d'une part une "dérive" de la trajectoire de la sonde par rapport à celle qu'elle aurait suivie en l'absence de variation de vitesse, d'autre part un couple entraînant une modification d'attitude de la sonde.If on the contrary, the vector u varies between two successive instants, a force K * (dV D / dt) is applied to the probe, in which K is the coefficient of lift of the probe in the direction exerted by said force at a point M P (metacentre of lift of the probe), and V D the speed of "drift" of the probe compared to the surrounding medium. This force is balanced by the inertia mγ of the probe, applied to its center of mass CdM: K * (dV D / dt) = mγ This results on the one hand in a "drift" of the trajectory of the probe compared to that which it would have followed in the absence of speed variation, on the other hand a torque causing a change in attitude of the probe.
Remarquons que la dérive de la trajectoire sera d'autant plus faible que le rapport m/K sera faible: on tiendra compte de cette remarque dans la construction des sondes. Estimons l'effet d'une accélération de la masse d'eau sur l'attitude de la sonde 2 en prenant pour exemple le cas pratique suivant:Note that the drift of the trajectory will be weaker as the m / K ratio will be weak: this remark will be taken into account in the construction of the probes. Let us estimate the effect of an acceleration of the mass of water on the attitude of the probe 2 by taking for example the following practical case:
- variation de vitesse du courant de 1ms"1 en 10m, soit une accélération d|VD|/dt de 10_1ms"2, appliquée horizontalement, 9- variation in speed of the current from 1 ms "1 to 10 m, ie an acceleration d | V D | / dt of 10 _1 ms " 2 , applied horizontally, 9
- accélération de dérive d|VD|/dt égale à la moitié de l'accélération du courant d|Vc|/dt (hypothèse très pénalisante) ,- drift acceleration d | V D | / dt equal to half the acceleration of the current d | V c | / dt (very penalizing hypothesis),
- distance MP-CdM: dι=lcm, - distance CdP-CdM: d2=lcm.- distance M P -CdM: dι = lcm, - distance CdP-CdM: d 2 = lcm.
- distance MP-CH: d3=10cm.- distance M P -C H : d 3 = 10cm.
Les conditions d'équilibre en attitude de la sonde s'obtiennent en écrivant que la somme vectorielle des couples de "portance" et de "traînée" est nulle, soit: di *mγ = d2*mg+d3*TH* Ϋh soit : d2=dι*γ/g-ri3*TH* | vA | / | mg |The conditions of equilibrium in attitude of the probe are obtained by writing that the vector sum of the pairs of "lift" and "drag" is zero, that is: di * mγ = d 2 * mg + d 3 * T H * Ϋ h either: d 2 = dι * γ / g-ri 3 * T H * | v A | / | mg |
Tous calculs faits, dans cet exemple, la variation d.1 attitude de la sonde due à la variation de courant n'excédera pas 0,25 degrés d'angle; cette erreur pourra même être réduite par construction en recherchant un fort rapport d3*TH*VA/m.All calculations made, in this example, the variation d. 1 attitude of the probe due to the current variation will not exceed 0.25 degrees of angle; this error can even be reduced by construction by looking for a high ratio of 3 * T H * V A / m.
(3)- la force de Coriolis fc. Soit Ω la vitesse de rotation de la Terre et VA la vitesse de remontée de la sonde: on a:(3) - the strength of Coriolis fc. Let Ω be the speed of rotation of the Earth and V At the rate of ascent of the probe: we have:
|fc|= 2m|ΩVA| Si le sondage se fait à l'équateur, Ω et VA sont perpendiculaires, on se trouve dans les conditions qui maximisent | fc | . |ΩVA| vaut (en prenant comme hypothèse VA=lιas~l) :| f c | = 2m | ΩV A | If the sounding is done at the equator, Ω and V A are perpendicular, we are in the conditions which maximize | f c | . | ΩV A | is worth (assuming V A = lιas ~ l ):
2π/86164*l= 7,2*10~5 ms"2, très faible comparée à celle de la pesanteur terrestre 9,8ms"2.2π / 86164 * l = 7.2 * 10 ~ 5 ms "2 , very low compared to that of the Earth's gravity 9.8 ms " 2 .
Cette force, qui s'exerce dans la direction du parallèle local entraîne un déplacement de la sonde vers l'Ouest.This force, which is exerted in the direction of the local parallel causes a displacement of the probe towards the West.
Principes de détermination des profils de courant .Principles for determining current profiles.
Soit, dans le système de coordonnées cartésiennes OxyzOr, in the Oxyz Cartesian coordinate system
(Fig.4) (Oz vertical, Ox orienté vers le Nord) une sonde(Fig. 4) (vertical Oz, Ox facing north) a probe
2, plus légère que l'eau de mer, en mouvement libre dans celle-ci et localisée au point M (de projection m sur le plan Oxy, et de coordonnées x (t) , y (t) , z (t) ) à l'instant t 10 après éjection d'une plate-forme P posée sur le fond de la mer, et située à l'origine du trièdre Oxyz. La sonde S se caractérise par une symétrie de révolution autour d'un axe sur lequel sont situés son centre de poussée et son centre de masse, par une grande stabilité statique et hydrodynamique et des dimensions négligeables par rapport à l'épaisseur des couches de courant à mesurer. Dans ces conditions, la cinématique de ladite sonde dans l'espace2, lighter than sea water, in free movement therein and located at point M (of projection m on the Oxy plane, and of coordinates x (t), y (t), z (t)) at time t 10 after ejection of a platform P placed on the bottom of the sea, and located at the origin of the Oxyz trihedron. The S probe is characterized by a symmetry of revolution around an axis on which its center of thrust and its center of mass are located, by great static and hydrodynamic stability and negligible dimensions compared to the thickness of the current layers to measure. Under these conditions, the kinematics of said probe in space
Oxyz peut être assimilée à une translation pure au cours de laquelle son axe de symétrie se maintient parallèle àOxyz can be compared to a pure translation during which its axis of symmetry remains parallel to
Oz (aux approximations près discutées ci-dessus) , à une vitesse relative VA par rapport à l'eau de mer environnante, déterminée par ses caractéristiques hydrodynamiques et par la densité locale de l'eau de mer. A l'instant t, saOz (to the approximations closely discussed above), at a relative speed V A with respect to the surrounding sea water, determined by its hydrodynamic characteristics and by the local density of sea water. At time t, her
— vitesse absolue Vt) dans le repère Oxyz résulte de la- absolute speed Vt) in the Oxyz coordinate system results from the
— —» composition du vecteur VA et du vecteur u(t) , vitesse du courant au point M.- - »composition of vector V A and vector u (t), speed of the current at point M.
Le principe utilisé dans l'invention pour reconstituer le profil vertical du vecteur courant le long de la colonne d'eau parcourue par la sonde consiste à mesurer V(t) = u(t) + VA,à partir d'instruments situés à bord de la sonde S, puis à en retrancher par le calcul au centre de traitement des données, le vecteur VA . En d'autres termes, on utilise la sonde comme traceur des courants marins au long de la colonne d'eau.The principle used in the invention to reconstruct the vertical profile of the current vector along the column of water traversed by the probe consists in measuring V (t) = u (t) + V A , using instruments located at edge of the probe S, then to subtract from it by the calculation at the data processing center, the vector V A. In other words, the probe is used as a tracer of sea currents along the water column.
Pour ce faire, on saisit et enregistre à bord de la sonde, à des instants successifs convenablement espacés, au moyen d'instruments décrits plus loin, (1) les angles φ(t)=(Ox,Om) (de gisement) et θ(t)=(Oz,OM) (de hauteur), (2) la différence de profondeur D(t) entre la sonde S et la plate-forme P, et (3) la projection sur OM de la vitesse de déplacement de la sonde par rapport à la plateforme (Doppler sonde-plate-forme). Soit W(t) cette projection, et r(t) la distance radiale OM. La position du point M s'écrit: 11 x(t)=r(t) .sinθ(t) .cosφ(t) y(t)=r(t) .sinθ(t) .sinφ(t) z(t)=r(t) .cosθ(t) ou encore, comme D (t) =r (t) .cosθ (t) : x(t)=D(t) .tgθ(t) .cosφ(t) y(t)=D(t) .tgθ(t) .sinφ(t) z(t)=D(t) Les composantes de la vitesse du courant au point M s'obtiennent par dérivation des expressions précédentes et soustraction du vecteur VA soit, en simplifiant 1 ' écriture: ux=dx/dt=D' .tgθ.cosφ+(D/cos2θ) .cosφ.dθ/dt-D.tgθ.sinφ.dφ/dt uy=dy/dt=D' .tgθ.sinφ+(D/cos2θ) .sinφ.dθ/dt+D.tgθ.cosφ.dφ/dt u2=dz/dt=D'-|VA| On peut ainsi obtenir une estimation des trois composantes de la vitesse du courant, en tout point de la trajectoire décrite par la sonde, à partir des mesures de θ, φ et D.To do this, we capture and record on board the probe, at successive times suitably spaced, using the instruments described below, (1) the angles φ (t) = (Ox, Om) (of deposit) and θ (t) = (Oz, OM) (height), (2) the difference in depth D (t) between the probe S and the platform P, and (3) the projection onto OM of the speed of movement of the probe relative to the platform (Doppler probe-platform). Let W (t) be this projection, and r (t) the radial distance OM. The position of point M is written: 11 x (t) = r (t) .sinθ (t) .cosφ (t) y (t) = r (t) .sinθ (t) .sinφ (t) z (t) = r (t) .cosθ (t) or, as D (t) = r (t) .cosθ (t): x (t) = D (t) .tgθ (t) .cosφ (t) y (t) = D (t) .tgθ (t) .sinφ (t) z (t) = D (t) The components of the speed of the current at point M are obtained by derivation of the preceding expressions and subtraction of the vector V A either, by simplifying the writing : u x = dx / dt = D '.tgθ.cosφ + (D / cos 2 θ) .cosφ.dθ / dt-D.tgθ.sinφ.dφ / dt u y = dy / dt = D' .tgθ. sinφ + (D / cos 2 θ) .sinφ.dθ / dt + D.tgθ.cosφ.dφ / dt u 2 = dz / dt = D'- | V A | One can thus obtain an estimate of the three components of the speed of the current, at any point of the trajectory described by the probe, from the measurements of θ, φ and D.
Enfin, on peut améliorer la précision des résultats à partir de la mesure de la projection W(t) sur OM de la vitesse de déplacement de la sonde. Les relations géométriques permettent d'écrire en effet: W (t) =ux. sinθ. cosφ+u. sinθ. sinφ+D' . cosθ ce qui donne une relation supplémentaire entre les paramètres. Cette mesure sera particulièrement adaptée lorsque le dispositif vise principalement à mesurer la composante verticale uz du courant. On remarquera que :Finally, the accuracy of the results can be improved from the measurement of the projection W (t) on OM of the speed of movement of the probe. The geometric relations allow us to write in effect: W (t) = u x . sinθ. cosφ + u. sinθ. sinφ + D '. cosθ which gives an additional relation between the parameters. This measurement will be particularly suitable when the device mainly aims to measure the vertical component u z of the current. Note that:
1) L'exploitation de la connaissance du profil de densité des couches d'eau le long de la trajectoire de la sonde peut permettre d'améliorer la finesse de restitution de trajectoire, et donc la précision des résultats: pour ce faire, on pourra tenir compte dans le calcul des variations de vitesse du son (pour Dz(t)) et de poussée d'Archimède (pour V(t) dues aux hétérogénéités des couches d' eau. 121) The exploitation of the knowledge of the density profile of the water layers along the trajectory of the probe can make it possible to improve the fineness of restitution of trajectory, and therefore the accuracy of the results: to do this, we can take into account in the calculation of the variations in speed of sound (for D z (t)) and buoyancy (for V (t) due to the heterogeneities of the water layers. 12
Ce point sera particulièrement important pour une restitution précise de uz, dont l'ordre de grandeur est en général très faible par rapport à la vitesse de remontée de la sonde (quelques cm. s-1 contre quelques dm. s"1), et qui 5 s'obtient par différence entre deux mesures indépendantes Dz(t) et VA(t) .This point will be particularly important for a precise restitution of u z , the order of magnitude of which is generally very small compared to the rate of ascent of the probe (a few cm. S -1 against a few dm. S "1 ), and which is obtained by difference between two independent measurements D z (t) and V A (t).
De même, une amélioration de la précision sur ux(t), uy(t) et uz(t) peut être obtenue, si on connaît le profil de densité, en modélisant le trajet des parcoursSimilarly, an improvement in the precision on u x (t), u y (t) and u z (t) can be obtained, if the density profile is known, by modeling the course path
10. acoustiques dans l'eau, et en tenant compte des effets de réfraction.10. acoustic in water, and taking into account the effects of refraction.
2) Dans de nombreux cas d'application de l'invention, il sera intéressant de combiner dans le même système de profilage les mesures de courant et les relevés d'autres2) In many cases of application of the invention, it will be advantageous to combine in the same profiling system the current measurements and the readings of other
15 paramètres, comme densité, température/salinité ou encore célérité du son, à partir de capteurs embarqués sur les mêmes sondes (Voir la demande de brevet PCT FR96/00418 déposé le 20 Mars 1996 au nom de la Société BrIO) . Cette combinaison présente en effet un double intérêt: (1)15 parameters, such as density, temperature / salinity or even speed of sound, from sensors on board the same probes (See PCT patent application FR96 / 00418 filed on March 20, 1996 in the name of the Company BrIO). This combination has a twofold advantage: (1)
20 fournir des mesures de tous les paramètres physiques statiques et dynamiques de la situation d'une masse d'eau à un instant donné et de son évolution, information essentielle pour la modélisation de la circulation océanique, (2) permettre une amélioration de la précision20 provide measurements of all the static and dynamic physical parameters of the situation of a body of water at a given instant and its evolution, essential information for the modeling of ocean circulation, (2) allow an improvement of the precision
25 des mesures de courant.25 current measurements.
3) On pourra également améliorer la précision sur la connaissance du coefficient de traînée de la sonde en mesurant son temps total de remontée, par exemple par détermination de la profondeur de départ, et des temps de3) It will also be possible to improve the accuracy on the knowledge of the coefficient of drag of the probe by measuring its total ascent time, for example by determining the starting depth, and the times of
30 départ et d'arrivée en surface (voir à ce sujet la demande de brevet français précitée n° 95 12996) .30 departure and arrival on the surface (see on this subject the aforementioned French patent application No. 95 12996).
Description d ' une station et de ses élémentsDescription of a station and its elements
La plate-forme 1 se compose (Fig. 1 et 7) d'une structure porteuse comprenant un tube central, un châssisPlatform 1 is made up (Fig. 1 and 7) of a supporting structure comprising a central tube, a frame
35 5 et des carénages. Cette structure ménage des alvéoles 6 dans chacune desquelles est tenue mécaniquement une sonde 1335 5 and fairings. This structure cleans cells 6 in each of which a probe is mechanically held 13
2 par l'intermédiaire d'enceintes gonflables 7 et d'un fil de largage électrolysable 11. La structure porte également un programmeur 8, un émetteur/balise acoustique 9 et une batterie 10. Une sonde 2 se compose (Fig.2 et 8) d'un corps 12 ovoïde en verre résistant à la pression, dans lequel est pratiqué un orifice 13. Son volume assure à l'ensemble la flottabilité positive recherchée. Une pièce moulée 14 est fixée au corps 12 par emmanchement sans jeu dans l'orifice 13 qu'elle obture hermétiquement; elle porte un doublet de transducteurs acoustiques 15 et un capteur de pression 16 reliés à l'intérieur du corps 12 par des câbles électriques de traversée surmoulés, ainsi que des appendices 17 servant d'empennages pour la sonde et de fixation pour le fil de largage 11. Les empennages de la sonde comprennent des ailettes hélicoïdales à la manière d'un poisson de loch, destinées à donner à la sonde un mouvement de rotation à vitesse constante lors de sa remontée . A l'intérieur du corps 12 sont montés les organes électroniques suivants: un récepteur acoustique 18 à deux canaux connectés au doublet de transducteurs 15, un détecteur de passage au Nord magnétique 19, une électronique de traitement de signal 20, une électronique de mesure de pression 21 connectée au capteur 16, un microprocesseur 22, une horloge 23, un programmeur de sonde 24, un émetteur/codeur radiofréquence 25 et son antenne 26, une batterie 27.2 via inflatable enclosures 7 and an electrolysable release wire 11. The structure also carries a programmer 8, an acoustic transmitter / beacon 9 and a battery 10. A probe 2 is made up (Fig. 2 and 8 ) of an ovoid body 12 of pressure-resistant glass, in which an orifice 13 is made. Its volume provides the assembly with the desired positive buoyancy. A molded part 14 is fixed to the body 12 by fitting without play in the orifice 13 which it hermetically seals; it carries a doublet of acoustic transducers 15 and a pressure sensor 16 connected to the interior of the body 12 by overmolded electrical crossing cables, as well as appendages 17 serving as empennages for the probe and for fixing for the release wire. 11. The empennages of the probe include helical fins in the manner of a log fish, intended to give the probe a rotational movement at constant speed during its ascent. Inside the body 12 are mounted the following electronic members: a two-channel acoustic receiver 18 connected to the pair of transducers 15, a magnetic north passage detector 19, a signal processing electronics 20, an electronics for measuring pressure 21 connected to the sensor 16, a microprocessor 22, a clock 23, a probe programmer 24, a radio frequency transmitter / coder 25 and its antenna 26, a battery 27.
Le détecteur de passage au Nord magnétique 19 délivre un top indiquant l'instant de ce passage à partir de deux informations: la variation du flux dans une bobine sensible au champ magnétique terrestre, et plus précisément aux instants de passage à zéro de celui-ciThe magnetic north passage detector 19 delivers a top indicating the instant of this passage from two pieces of information: the variation of the flux in a coil sensitive to the earth's magnetic field, and more precisely to the moments of zero crossing thereof.
(deux passages par tour) et celle d'un compas magnétique de sonde, peu précis mais suffisant pour lever l'ambiguïté de 180° fournie par la bobine. 14(two passages per revolution) and that of a magnetic probe compass, imprecise but sufficient to remove the 180 ° ambiguity provided by the coil. 14
Déploiement des stations et des sondesDeployment of stations and probes
On mouille la station préparée en usine à l'emplacement choisi pour effectuer le profilage, soit par élingage à partir d'un navire soit par parachutage à partir d'un aéronef (Fig.3, a, b). La station coule sous l'action de la pesanteur, le poids du lest 4 étant supérieur à la somme des flottabilités de la plate-forme 1 et des sondes 2 (Fig.3,c,d) .The station prepared in the factory is wetted at the location chosen for profiling, either by slinging from a ship or by parachuting from an aircraft (Fig. 3, a, b). The station sinks under the action of gravity, the weight of the ballast 4 being greater than the sum of the buoyancies of the platform 1 and the probes 2 (Fig. 3, c, d).
Dès que la station s'enfonce de quelques mètres sous la surface, les enceintes gonflables 7 s'écrasent, et les sondes 2 ne sont plus retenues à la plate-forme 1 que par les fils de largage 11.As soon as the station sinks a few meters below the surface, the inflatable enclosures 7 crash, and the probes 2 are no longer retained on the platform 1 except by the release wires 11.
A des moments successifs choisis par l'opérateur et mis en mémoire, le programmeur de plate-forme 8 déclenche en séquence le largage des sondes 2 (Fig.3,e). Ce largage est obtenu simplement par électrolyse dans l'eau de mer du fil 11, réalisé par exemple en magnésium, quelques minutes après application d'un potentiel électrique entre celui-ci et une électrode montée sur le châssis 5. La rupture du fil de largage ouvre un circuit de surveillance dans la sonde, qui commande la mise sous tension de son électronique.At successive moments chosen by the operator and stored in memory, the platform programmer 8 sequentially releases the probes 2 (Fig. 3, e). This release is obtained simply by electrolysis in seawater of the wire 11, made for example of magnesium, a few minutes after application of an electrical potential between it and an electrode mounted on the chassis 5. The breaking of the wire The drop opens a monitoring circuit in the probe, which controls the energization of its electronics.
Dès son largage, la sonde 2 commence son ascension (Fig.3,f) à une vitesse quasi-constante VA de l'ordre de quelques dizaines de cm/s, déterminée par sa flottabilité et ses caractéristiques hydrodynamiques. Pendant cette ascension, la sonde 2 est entraînée par le courant, mais l'action des forces dynamiques et hydrodynamiques qui s'exercent sur son corps 12 et ses empennages 17 tendent à maintenir son axe de révolution vertical, et à générer une rotation lente (de l'ordre de quelques tours/minute) autour de cet axe.As soon as it is released, the probe 2 begins its ascent (Fig. 3, f) at an almost constant speed V A of the order of a few tens of cm / s, determined by its buoyancy and its hydrodynamic characteristics. During this ascent, the probe 2 is driven by the current, but the action of the dynamic and hydrodynamic forces which are exerted on its body 12 and its empennages 17 tend to maintain its vertical axis of revolution, and to generate a slow rotation ( around a few revolutions / minute) around this axis.
Pendant toute l'ascension, les instruments de positionnement et d'enregistrement des données (18,19,20,21,22) sont activés; les données recueillies sont enregistrées dans la mémoire du microprocesseur 22. A 15 l'arrivée en surface de la sonde 2, détectée soit par le capteur de pression 16 soit par un détecteur spécialisé (voir la demande de brevet précitée) , le programmeur de sonde 24 déclenche (Fig.3, g) une procédure de transmission des données recueillies vers un satellite de collection de données de type ARGOS pour réémission ultérieure vers un Centre de traitement (Fig.3, h).During the whole ascent, the positioning and data recording instruments (18,19,20,21,22) are activated; the data collected are stored in the memory of the microprocessor 22. A 15 the arrival at the surface of the probe 2, detected either by the pressure sensor 16 or by a specialized detector (see the aforementioned patent application), the probe programmer 24 triggers (FIG. 3, g) a transmission procedure data collected to an ARGOS-type data collection satellite for subsequent retransmission to a Processing Center (Fig. 3, h).
Les instruments de positionnement des sondesProbe positioning instruments
Les données brutes devant servir au relèvement des angles φ(t) (gisement) et θ(t) (hauteur), sont obtenus à partir d'un dispositif inteférométrique acoustique composé de l'émetteur-balise 9 fixé sur la plate-forme 1 (Fig.l), et d'un ensemble de réception installé sur la sondeThe raw data to be used for reading the angles φ (t) (deposit) and θ (t) (height), are obtained from an acoustic interferometric device composed of the transmitter-beacon 9 fixed on the platform 1 (Fig.l), and a receiving assembly installed on the probe
(Fig.2) comprenant: le doublet de transducteurs 15, le récepteur à deux canaux 18, le détecteur de passage au Nord magnétique 19, et l'électronique de traitement de signal 20.(Fig. 2) comprising: the pair of transducers 15, the two-channel receiver 18, the magnetic north passage detector 19, and the signal processing electronics 20.
Pendant le temps de l'ascension d'une sonde, l'émetteur- balise acoustique 9 est mis sous tension; il émet un signal dont le spectre est une porteuse de fréquence fixe et stable, modulée par des sous-porteuses elles-mêmes sous-harmoniques de la porteuse, et reliées en phase avec celle-ci. L'émission est rayonnée vers le demi-plan supérieur. Sur la sonde 2, la chaîne de réception reçoit le signal correspondant. La base interférométrique constituée par le doublet de transducteurs (15) est animée, comme le corps de sonde, d'un mouvement de rotation d'axe vertical, autour de son axe de symétrie. Le traitement de signal est réalisé dans l'électronique 20 de la manière suivante:During the time of the ascent of a probe, the acoustic beacon transmitter 9 is energized; it emits a signal whose spectrum is a carrier of fixed and stable frequency, modulated by subcarriers themselves subharmonic of the carrier, and connected in phase with the latter. The program is radiated to the upper half-plane. On probe 2, the reception chain receives the corresponding signal. The interferometric base formed by the pair of transducers (15) is animated, like the probe body, by a movement of rotation of vertical axis, around its axis of symmetry. Signal processing is carried out in electronics 20 as follows:
- on mesure les différences de temps entre l'instant t0 de passage au Nord magnétique du détecteur 19 et les instants ti et t2 où la différence de marche 1 entre les deux transducteurs 15 est nulle (doublet perpendiculaire à OM) (Fig. 6) , ce qui se déduit des mesures de phase sur la 16 porteuse et les sous-porteuses du signal reçu, et se produit deux fois par tour,- We measure the time differences between the instant t 0 of magnetic north passage of the detector 19 and the instants ti and t 2 where the path difference 1 between the two transducers 15 is zero (doublet perpendicular to OM) (Fig. 6), which is deduced from the phase measurements on the 16 carrier and subcarriers of the received signal, and occurs twice per turn,
- on mesure la période T de rotation de la sonde, entre deux instants, on obtient :- the period T of rotation of the probe is measured, between two instants, we obtain:
Φ (t) radians= ( (ti-to) + (t2-T/2-tD) ) /2T,Φ (t) rad ians = ((ti-to) + (t 2 -T / 2-t D )) / 2T,
- on mesure à chacun des instants tι+T/4 et tι+3T/4 (doublet 15 dans le plan Oz,OM) la différence de phase φι~φ2 entre les signaux reçus sur chacun des canaux (Fig.6). On obtient deux estimations de θ(t) telles que: tg θι(t)= (φι-φ2/2π)*λ/L à tι+T/2 tg θ2(t)= ( (φι-φ2+π)/2π)*λ/L à tι+3T/2 où λ est la longueur d'onde du signal reçu, L la distance entre les centres de phase des deux éléments du doublet. La moyenne de θι(t) et θ2(t) donne la meilleure estimation de θ(t); cette méthode permet en particulier de s'affranchir des erreurs qui pourraient résulter de perturbations dans les mouvements de la sonde, dus soit à des causes extérieures, soit à des défauts de symétrie ou d'alignement.- We measure at each time tι + T / 4 and tι + 3T / 4 (doublet 15 in the Oz plane, OM) the phase difference φι ~ φ 2 between the signals received on each of the channels (Fig.6). We obtain two estimates of θ (t) such that: tg θι (t) = (φι-φ 2 / 2π) * λ / L to tι + T / 2 tg θ 2 (t) = ((φι-φ 2 + π) / 2π) * λ / L at tι + 3T / 2 where λ is the wavelength of the received signal, L the distance between the phase centers of the two elements of the doublet. The average of θι (t) and θ 2 (t) gives the best estimate of θ (t); this method allows in particular to get rid of errors which could result from disturbances in the movements of the probe, due either to external causes, or to defects of symmetry or alignment.
Enfin, la distance verticale D(t) est obtenue par des mesures de pression: différence entre la pression au fond et la pression à l'instant t, mesurées par les mêmes éléments de chaîne de mesure 16 et 21. La faisabilité de la liaison entre 1 ' émetteur/balise et le récepteur de sonde ne pose pas de problème difficile. En effet, l'intensité sonore reçue Ir par un transducteur de surface S=lcm2 sur une sonde située à une distance R=7500m d'un émetteur rayonnant dans sa direction une puissance Pe de 1W est de:Finally, the vertical distance D (t) is obtained by pressure measurements: difference between the pressure at the bottom and the pressure at time t, measured by the same measuring chain elements 16 and 21. The feasibility of the connection between the transmitter / beacon and the probe receiver does not pose any difficult problem. Indeed, the sound intensity received I r by a surface transducer S = lcm 2 on a probe located at a distance R = 7500m from a transmitter radiating in its direction a power P e of 1W is:
Ir = Pe*l/4πR2 *S= 0,15 *10~12 W entraînant une variation de pression sur l'hydrophone de :I r = P e * l / 4πR 2 * S = 0.15 * 10 ~ 12 W causing a pressure variation on the hydrophone of:
ΔP=(I*2pc)"1/2= 0,7*10~3 pascal dans une bande de fréquences très faible. 17ΔP = (I * 2pc) "1/2 = 0.7 * 10 ~ 3 pascal in a very low frequency band. 17
Ces ordres de grandeur permettent une réalisation facile et économique .These orders of magnitude allow an easy and economical realization.
Le corps de sonde .The probe body.
La forme extérieure de la sonde 2 (Fig.2) est celle d'un fuseau doté d'empennages, l'ensemble étant de révolution autour de l'axe du fuseau. L'ensemble doit être conçu pour: minimiser la masse de la sonde, assurer un bon alignement du centre de poussée, du centre de masse, des centres de traînée et de portance hydrodynamiques, de l'axe du doublet sur l'axe de révolution, minimiser la distance centre de masse-métacentre de portance, assurer un coefficient de portance notable, fixer le centre de traînée le plus bas possible, assurer un amortissement rapide des mouvements de tangage/lacet, entraîner l'ensemble en rotation à une vitesse de l'ordre de quelques t/min.The external shape of the probe 2 (Fig. 2) is that of a spindle with tail elements, the assembly being of revolution around the axis of the spindle. The assembly must be designed to: minimize the mass of the probe, ensure proper alignment of the center of thrust, center of mass, hydrodynamic drag and lift centers, the axis of the doublet on the axis of revolution , minimize the center of mass-metacentre lift distance, ensure a significant lift coefficient, set the center of drag as low as possible, ensure rapid damping of pitch / yaw movements, drive the whole in rotation at a speed of the order of a few rpm.
Ces impératifs peuvent être satisfaits par un dessin de la sonde et des empennages semblable à celui de la Fig.2: corps de sonde de forme ovoïde, empennages 17 ayant la forme d'un disque plan, d'axe confondu avec l'axe de la sonde, terminé par un tronçon de cylindre de même axe, portant des ailettes en hélice. Le pas d'hélice est conçu pour assurer une rotation de l'ordre de 1 tour par 5 mètres parcourus.These requirements can be satisfied by a drawing of the probe and empennages similar to that of Fig.2: probe body of ovoid shape, empennages 17 having the shape of a plane disc, of axis coincident with the axis of the probe, terminated by a cylinder section of the same axis, carrying helical fins. The propeller pitch is designed to ensure a rotation of the order of 1 revolution per 5 meters traveled.
Un soin particulier sera attaché à la réalisation d'un profil extérieur de sonde de révolution, à l'alignement du corps 12 et de la pièce 14, à la fixation sans jeu des équipements à l'intérieur du corps 12; enfin, on réalisera un équilibrage statique de chaque sonde en fin de fabrication en usine. L ' électronique de sonde se compose (Fig.8) d'un récepteur acoustique 18 à deux canaux connectés au doublet 18 de transducteurs 15, un détecteur de passage au Nord magnétique 19, une électronique de traitement de signal 20, une électronique de mesure de pression 21 connectée au capteur 16, un microprocesseur 22, une horloge 23, un programmeur de sonde 24, un émetteur/codeur radiofréquence 25 et son antenne 26, une batterie 27.Particular care will be attached to the production of an external profile of a revolution probe, to the alignment of the body 12 and of the part 14, to the attachment without play of the equipment inside the body 12; Finally, a static balancing of each probe will be carried out at the end of manufacturing in the factory. The probe electronics consists (Fig.8) of an acoustic receiver 18 with two channels connected to the dipole 18 of transducers 15, a magnetic north passage detector 19, a signal processing electronics 20, a pressure measurement electronics 21 connected to the sensor 16, a microprocessor 22, a clock 23, a probe programmer 24, a transmitter / radio frequency encoder 25 and its antenna 26, a battery 27.
Cette électronique est classique et ne pose pas de problème difficile de conception.This electronics is classic and does not pose any difficult design problem.
Champ d'applications et avantages de l'invention. Le champ d'application principal de L'invention porte sur la fourniture de données de courantométrie aux organismes de recherche, de surveillance et de prévision de la circulation océanique utilisant des modèles numériques. Les besoins correspondants devraient croître considérablement au cours des dix prochaines années, tant pour les utilisations civiles (pour lesquelles le volet "Circulation océanique" du Projet "Global Océan Observation System" est emblématique) que militaires.Scope and advantages of the invention. The main scope of the invention relates to the provision of current measurement data to research, monitoring and forecasting organizations of ocean circulation using digital models. The corresponding needs are expected to increase considerably over the next ten years, both for civil uses (for which the "Ocean Circulation" component of the "Global Ocean Observation System" Project) and for the military.
L'invention répond particulièrement bien aux besoins de cette demande nouvelle pour les raisons suivantes: (1) la structure du maillage spatio-temporel des observations, eulérienne, est la même que celle des modèles numériques, ce qui facilite grandement l'assimilation des données et augmente considérablement l'efficacité de l'échantillonnage, (2) la possibilité de choisir les coordonnées géographiques des sites à observer permet d'optimiser l'implantation du réseau pour en tirer le maximum de signification expérimentale, (3) la possibilité de réaliser des observations simultanées en divers emplacements géographiques va également dans ce sens, (4) la possibilité de transmettre les données en temps quasi- réel et sans aucun intermédiaire manuel au Centre de traitement permet d'automatiser toute la chaîne de traitement et de réduire les volumes considérables de traitements numériques nécessaires pour assimiler les données, (5) l'économie des moyens à mettre en oeuvre pour 19 déployer, maintenir ou étendre le réseau d'observation est considérablement plus faible qu'avec les moyens existants, qui utilisent des navires.The invention responds particularly well to the needs of this new request for the following reasons: (1) the structure of the spatio-temporal mesh of the observations, Eulerian, is the same as that of the numerical models, which greatly facilitates the assimilation of the data and considerably increases the efficiency of sampling, (2) the possibility of choosing the geographical coordinates of the sites to be observed makes it possible to optimize the layout of the network to obtain the maximum experimental significance from it, (3) the possibility of carrying out simultaneous observations in various geographic locations also goes in this direction, (4) the possibility of transmitting the data in near real time and without any manual intermediary to the Processing Center makes it possible to automate the entire processing chain and reduce volumes considerable digital processing necessary to assimilate the data, (5) the economy of the means to put re implemented for 19 deploying, maintaining or extending the observation network is considerably weaker than with existing means, which use ships.
De plus, la mesure en profil des vitesses de courant peut être réalisée conjointement avec celle d'autres mesures en profil plus classiques comme température et salinité. Le regroupement de ces mesures en profil fournit alors un ensemble de données d'état et de flux particulièrement intéressant pour le recalage des modèles numériques de circulation et d'échanges d'énergie dans l'Océan (Voir la demande de brevet PCT/FR96/00418 citée ci-dessus) .In addition, the profile measurement of the current velocities can be carried out in conjunction with that of other more conventional profile measurements such as temperature and salinity. The grouping of these measurements in profile then provides a set of state and flow data particularly interesting for the registration of digital models of circulation and energy exchanges in the Ocean (See patent application PCT / FR96 / 00418 cited above).
Le procédé et le dispositif décrits peuvent également être utilisés à des fins d'observation locale de l'Océan, pour recueillir des données sur l'évolution des courants océaniques au cours d'une saison ou de plusieurs années, en un site unique ou en un petit nombre de sites intéressant les chercheurs océanographes ou encore les surveillants d'ouvrages opérant en mer (Plates-formes pétrolières par exemple) . Son application à ces cas d'utilisation sera d'autant plus avantageuse que le site à observer sera éloigné et/ou d'accès difficile, que l'expérimentation devra porter sur de longues périodes de temps (plusieurs années) , et que la mesure intéressera au moins partiellement de grandes profondeurs.The method and the device described can also be used for local ocean observation purposes, to collect data on the evolution of ocean currents during a season or several years, in a single site or in a small number of sites of interest to ocean research scientists or even supervisors of works operating at sea (oil platforms for example). Its application to these use cases will be all the more advantageous as the site to be observed will be distant and / or difficult to access, as the experimentation must relate to long periods of time (several years), and as the measurement will at least partially interest great depths.
On peut citer, de manière non exhaustive, les avantages suivants de l'invention, par rapport aux procédés et dispositifs utilisés actuellement: (1) réduction du coût d'acquisition des données océanographiques, surtout lorsque l'expérimentation a pour but de saisir des séries chronologiques de mesures, en un point géographique donné ou, de manière coordonnée dans le temps, en plusieurs points d'un réseau, (2) grande flexibilité dans le choix des emplacements géographiques et des calendriers de sondage, permettant en particulier d'obtenir des vues synoptiques par "coupes" horizontales et verticales des 20 masses d'eau, (3) grande répétitivité des conditions de mesure, facteur de qualité des résultats, (4) importante réduction des délais, coûts et aléas de transmission, de traitement et de diffusion des données rendue possible par l'automatisation complète de la chaîne d'acquisition, de collecte et de traitement des données, (5) possibilité de réserver une haute confidentialité au processus, depuis la mise en place des stations fond de mer jusqu'à la diffusion des données, permettant une exploitation classifiée et/ou commerciale du système, de collecte de données par son propriétaire.We can cite, in a non-exhaustive manner, the following advantages of the invention, compared to the methods and devices currently used: (1) reduction in the cost of acquiring oceanographic data, especially when the purpose of the experiment is to capture chronological series of measurements, at a given geographic point or, in a coordinated way over time, at several points in a network, (2) great flexibility in the choice of geographic locations and polling schedules, making it possible in particular to obtain horizontal and vertical "cross-section" views of the 20 water bodies, (3) high repeatability of the measurement conditions, quality factor of the results, (4) significant reduction in the time, cost and risk of transmission, processing and dissemination of data made possible by full automation of the data acquisition, collection and processing chain, (5) possibility of reserving high confidentiality for the process, from the setting up of sea bottom stations to the dissemination of data, allowing classified and / or commercial system, data collection by its owner.
On remarquera enfin que la mise en oeuvre de l'invention ne fait pas appel à des technologies nouvelles ou "révolutionnaires"; elle repose au contraire sur la combinaison de solutions techniques éprouvées, déjà utilisées dans d'autres domaines. Finally, it will be noted that the implementation of the invention does not call upon new or "revolutionary" technologies; on the contrary, it is based on the combination of proven technical solutions already used in other fields.

Claims

21REVENDICATIONS 21 CLAIMS
1. Procédé de réalisation de profils verticaux de la mesure du courant marin depuis un fond marin jusqu'à la surface de l'eau, à l'aide d'une sonde (2) de mesure plus légère que l'eau larguée à partir d'une plate-forme (1) reposant sur ledit fond, caractérisé en ce qu'on mesure et on enregistre à bord de la sonde (2) , tout au long de la trajectoire de remontée de celle-ci, a) les positions (θ, φ) successives d'un axe passant par la plate-forme (1) et la sonde (2), b) la distance verticale séparant celles-ci au moment de la mesure de chaque position de cet axe, et on tire de ces mesures et du calcul de la vitesse ascensionnelle (VA) de la sonde (2), les trois composantes1. Method for producing vertical profiles for measuring the sea current from a seabed to the surface of the water, using a probe (2) which is lighter than the water dropped from a platform (1) resting on said bottom, characterized in that one measures and records on board the probe (2), throughout the ascent path of the latter, a) the positions (θ, φ) successive of an axis passing through the platform (1) and the probe (2), b) the vertical distance separating these at the time of the measurement of each position of this axis, and we draw of these measurements and the calculation of the ascent speed (V A ) of the probe (2), the three components
(μx, uy, uz) du vecteur vitesse du courant marin, en chaque point de la trajectoire suivie par la sonde (2) .(μ x , u y , u z ) of the speed vector of the sea current, at each point of the trajectory followed by the probe (2).
2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on tire lesdits composants (ux, uy, uz) du vecteur vitesse du courant marin des relations : ux = D'.tgθ.cos φ + (D/cos2θ) .cosφ.θ' - D.tgθ.sinφ.φ ' uy = D'.tgθ.sin φ + (D/cos2θ) . sinφ.θ' + D.tgθ.cosφ.φ ' uz = D' - VA où φ et θ sont l'angle de gisement et la hauteur respectivement, de l'axe (OM) passant par la plate-forme2. Method according to claim 1, characterized in that said components (u x , u y , u z ) of the velocity vector of the sea current are drawn from the relationships: u x = D'.tgθ.cos φ + (D / cos 2 θ) .cosφ.θ '- D.tgθ.sinφ.φ' u y = D'.tgθ.sin φ + (D / cos 2 θ). sinφ.θ '+ D.tgθ.cosφ.φ' u z = D '- V A where φ and θ are the bearing angle and the height respectively, of the axis (OM) passing through the platform
(1) et la sonde (2), D la distance verticale séparant la plate-forme (1) de la sonde (2), φ', θ' et D' les dérivées temporelles de ces trois grandeurs.(1) and the probe (2), D the vertical distance separating the platform (1) from the probe (2), φ ', θ' and D 'the time derivatives of these three quantities.
3. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on mesure la densité de l'eau au long de la trajectoire de la sonde (2) et on corrige les mesures des composantes (ux, uy, uz) du vecteur vitesse du courant à l'aide desdites mesures de densité.3. Method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the density of the water is measured along the path of the probe (2) and the measurements of the components (u x , u y , u z ) of the velocity vector of the current using said density measurements.
4. Procédé conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'on mesure, tout au long de la trajectoire de la sonde (2), la projection W(t) de son vecteur vitesse sur l'axe (OM) passant par la plate-forme (1) et la sonde (2) 22 et on améliore la précision des mesures des composantes du vecteur vitesse du courant marin en vérifiant la relation : W(t) = ux. sinθ. cosθ + uy sin θ.sin φ + D'.cosθ4. Method according to claim 3, characterized in that, throughout the trajectory of the probe (2), the projection W (t) of its speed vector on the axis (OM) passing through the platform (1) and probe (2) 22 and the precision of the measurements of the components of the speed vector of the sea current is improved by checking the relation: W (t) = u x . sinθ. cosθ + u y sin θ.sin φ + D'.cosθ
5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend : a) une plate-forme (1) susceptible d'être coulée sur le fond marin, cette plate-forme portant au moins une sonde de mesure (2) et des moyens pour larguer celle-ci à un instant prédéterminé, ladite sonde . comportant des moyens (16) sensibles à la pression hydrostatique pour la mesure de la distance verticale de la sonde par rapport au fond marin, tout au long de sa trajectoire de remontée, et b) des moyens interférométriques (9,15,17,18,19,20) répartis entre la plate-forme et une sonde larguée pour le relevé des angles de gisement (φ) et de hauteur (θ) de l'axe passant par la plate-forme et ladite sonde larguée, tout au long de la trajectoire de remontée de celle-ci, et c) des moyens de traitement et de transmission des signaux de mesure pour tirer de ceux-ci les composantes du vecteur vitesse du courant marin tout au long de la trajectoire de remontée de la sonde.5. Device for implementing the method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises: a) a platform (1) capable of being sunk on the seabed, this platform carrying at least one measurement probe (2) and means for releasing the latter at a predetermined instant, said probe. comprising means (16) sensitive to hydrostatic pressure for measuring the vertical distance of the probe from the seabed, along its ascent path, and b) interferometric means (9,15,17,18 , 19,20) distributed between the platform and a dropped probe for reading the bearing angles (φ) and height (θ) of the axis passing through the platform and said dropped probe, throughout the ascent trajectory thereof, and c) means for processing and transmitting the measurement signals to extract from them the components of the speed vector of the sea current throughout the ascent trajectory of the probe.
6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens interférométriques comprennent un émetteur-balise acoustique (9) fixé sur la plate-forme (1) et un ensemble de réception installé sur la sonde (2) .6. Device according to claim 5, characterized in that said interferometric means comprise an acoustic beacon transmitter (9) fixed on the platform (1) and a reception assembly installed on the probe (2).
7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que ledit ensemble de réception comprend un doublet de transducteurs acoustiques (15), un récepteur (18) à deux canaux, un détecteur (19) de passage au nord magnétique, une électronique (20) de traitement des signaux émis par les transducteurs et le détecteur, la sonde étant en outre équipée de moyens (17) provoquant sa mise en rotation autour de son axe pendant sa remontée. 7. Device according to claim 6, characterized in that said reception assembly comprises a pair of acoustic transducers (15), a receiver (18) with two channels, a detector (19) of magnetic north passage, electronics ( 20) for processing the signals emitted by the transducers and the detector, the probe being furthermore equipped with means (17) causing it to rotate around its axis during its ascent.
8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'électronique (20) de traitement de signaux 23 comprend des moyens pour tirer les angles de gisement (θ) et de hauteur (φ) de la sonde (2) de mesures des intervalles de temps séparant l'instant (to) du passage au nord magnétique du détecteur (19) des instants (ti) et (t2) où la différence de marche entre les deux transducteurs (15) est nulle, de la mesure de la période T de rotation de la sonde, et de la mesure aux instants (tχ+T/4) et (tι+3T/4) de la différence de phase entre les signaux présents sur les deux canaux du récepteur (18) . 8. Device according to claim 7, characterized in that the electronics (20) for signal processing 23 includes means for drawing the bearing (θ) and height (φ) angles of the probe (2) for measuring the time intervals separating the instant (to) of the magnetic north passage of the detector (19) of the instants (ti) and (t 2 ) where the path difference between the two transducers (15) is zero, from the measurement of the period T of rotation of the probe, and from the measurement at times (tχ + T / 4) and (tι + 3T / 4) of the phase difference between the signals present on the two channels of the receiver (18).
9. Dispositif conforme à l'une .quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens de transmission de données élaborées dans la sonde émettent vers un centre terrestre de traitement de données.9. Device according to any of claims 5 to 8, characterized in that the data transmission means produced in the probe transmit to a terrestrial data processing center.
10. Plate-forme formant partie du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour supporter une pluralité de sondes (2), des moyens (8, 11) pour larguer successivement celles-ci, un émetteur-balise acoustique10. Platform forming part of the device according to any one of claims 6 to 9, characterized in that it comprises means for supporting a plurality of probes (2), means (8, 11) for successively dropping these, an acoustic beacon transmitter
(9) et une source d'énergie électrique (10) pour l'alimentation de ces moyens et de cet émetteur.(9) and a source of electrical energy (10) for supplying these means and this transmitter.
11. Sonde formant partie du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend : a) un corps ovoïde dimensionné pour lui donner une flottabilité positive, b) un doublet de transducteurs acoustiques (15) , c) un capteur de pression (16), ce doublet et ce capteur étant connectés à des moyens placés à l'intérieur du corps et comprenant d) un récepteur acoustique (18) à deux canaux alimentés par les transducteurs acoustiques, e) un détecteur (19) de passage au nord magnétique, f) une électronique (20) de traitement de signal, g) une électronique (21) de mesure de pression connectée au capteur (16) , 24 h) des moyens électroniques de commande (22, 23, 24) et i) des moyens (25, 26) d'émission de données élaborées dans la sonde vers un centre de traitement terrestre. 11. Probe forming part of the device according to any one of claims 6 to 10, characterized in that it comprises: a) an ovoid body dimensioned to give it a positive buoyancy, b) a pair of acoustic transducers (15) , c) a pressure sensor (16), this doublet and this sensor being connected to means placed inside the body and comprising d) an acoustic receiver (18) with two channels supplied by the acoustic transducers, e) a magnetic north passage detector (19), f) signal processing electronics (20), g) pressure measurement electronics (21) connected to the sensor (16), 24 h) electronic control means (22, 23, 24) and i) means (25, 26) for transmitting data produced in the probe to a terrestrial processing center.
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