Stage M2 - Méthode Innovante de Calibration des Adcps des Navires et Exploitation des Mesures de Réflectivité H/F Ifremer

Les navires de recherche de la Flotte Océanographique Française (FOF) mesurent les courants marins sur de vastes étendues grâce à des équipements acoustiques spécifiques, appelés « courantomètres Doppler » en français, et plus communément désignés par leur acronyme anglophone « ADCP » (pour « Acoustic Doppler Current Profiler »).
Ces capteurs, dont l'usage au sein des flottes scientifiques s'est démocratisé depuis les années 90, sont capables de mesurer le déplacement des masses d'eau par mesure du décalage Doppler entre l'onde acoustique émise et son signal rétrodiffusé par l'environnement marin.
Leur principal intérêt est de fournir quasi-instantanément un profil tri-dimensionnel de l'écoulement moyen sous le navire, avec une résolution verticale métrique à décamétrique, et jusqu'à des profondeurs de l'ordre du km, fonction de la fréquence du capteur acoustique.
Déployer ces équipements à bord de navires permet d'échantillonner spatialement de larges zones d'intérêt -généralement peu accessibles- en quelques jours/semaines, ce qui en fait un système d'observation sans équivalent pour la communauté scientifique en océanographie physique.
La mesure brute du décalage Doppler contient intrinsèquement les mouvements du navire, et afin d'en déduire les courants marins, il est indispensable d'estimer précisément la dynamique du navire, pour retirer cette contribution indésirable. A cette fin, en plus de disposer de capteurs de navigation performants (comme par exemple des centrales inertielles hybridées), il est nécessaire de parfaitement maîtriser la métrologie lors de l'installation physique des capteurs. Notamment, la méconnaissance de l'angle précis de montage en lacet de l'ADCP -par rapport au référentiel navire- peut engendrer un biais sur la mesure des courants horizontaux. Cette problématique a été identifiée dès l'origine, et des procédures de calibration ont rapidement été développées pour estimer de manière in-situ cet angle [1].
Depuis les années 90, l'amélioration significative des performances des capteurs de navigation permet d'aller théoriquement beaucoup plus loin dans la compensation des mouvements du navire.
Paradoxalement, la plupart des courantomètres Doppler continuent d'être calibrés avec des procédures se limitant à estimer l'angle de montage en lacet (et parfois un facteur d'échelle), alors qu'on peut désormais s'attendre à ce que d'autres paramètres d'installation soient observables. Ces constantes (bras de levier, angle de montage en tangage) sont critiques pour appliquer efficacement les outils modernes de correction de la cinématique du navire, conduisant à un gain significatif sur l'incertitude des mesures de courant.
Un levé effectué par un géomètre, lors d'une cale sèche du navire, peut nous donner une idée relativement précise de la valeur de ces constantes. Néanmoins, pour affiner la connaissance des biais résiduels, l'idéal serait de disposer d'une méthode de calibration plus aboutie. C'est ce que certains fabricants de courantomètre commencent à proposer (sans forcément communiquer sur la méthode), mais cela concerne encore une minorité d'équipements.
L'objectif principal du stage serait de travailler sur une méthode de calibration in-situ à partir des mesures du capteur permettant ainsi d'estimer l'ensemble des paramètres d'installation théoriquement observables et ceci indépendamment du modèle du capteur.
Selon l'avancée de ces travaux, il pourra également être demandé de se pencher sur un enjeu plus exploratoire des courantomètres de la FOF : étudier leur capacité à estimer au mieux un index de rétrodiffusion volumique, et comment cette grandeur pourrait servir à construire un indicateur de qualité des mesures de courant.

Objectifs du stage

Objectif principal : Méthode innovante de calibration d'un ADCP
- Synthétiser les méthodes de calibration existantes,
- Proposer une méthodologie capable de déterminer l'ensemble des paramètres d'installation théoriquement observables :
o Modéliser la relation entre la vitesse navire mesurée par l'ADCP et celle mesurée par le capteur de navigation, en détaillant les hypothèses retenues,
o Trouver une trajectoire du navire rendant les paramètres d'installation observables,
o Quantifier l'incertitude sur chacun des paramètres estimés.
- Valider la procédure précédemment développée sur des données expérimentales,
- Quantifier le gain qu'apporte cette nouvelle méthode de calibration comparativement à la procédure standard,
- Proposer une méthodologie complémentaire, pour affiner les paramètres d'installation en se basant uniquement sur de longues séries temporelles de mesures de courants.

Objectif secondaire : Evaluer la capacité des ADCPs des navires de la FOF à mesurer un index de rétrodiffusion volumique fiable
- Déterminer le modèle le mieux adapté pour calculer l'index de rétrodiffusion volumique des ADCPs des navires de la FOF en s'appuyant sur la littérature à ce sujet [2],
- En se basant sur l'équation précédemment définie, retrouver les paramètres internes du courantomètre nécessaires à l'estimation de l'index. Pour ce faire, il conviendra d'exploiter des jeux de données représentant des environnements suffisamment exhaustifs, et des mesures de référence (d'un autre capteur acoustique étalonné),
- Conclure sur la capacité à obtenir un index de rétrodiffusion volumique fiable,
- Envisager comment construire un indicateur de qualité des mesures de courant à partir de cet index.