FR2754064A1 - Marine current speed vertical profile measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Domaine technique de l'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 utilise certains des principes décrits dans les demandes de brevet français nO 95 03269 du 21
Mars 1995 et nO 95 12996 du 3 Novembre 1995, ainsi que dans la demande de brevet PCT/FR96/00418 déposée le 20 Mars 1996, au nom de la Société Bretonne d'Instrumentation Océanograhique BrIO.DESCRIPTION OF THE INVENTION
Technical field of the invention
The invention relates to a method and a device for measuring the profiles of the three components of the current along an ocean water column, and for collecting the corresponding data to a treatment center. It uses some of the principles described in French patent applications No. 95 03269 of 21
March 1995 and No. 95 12996 of November 3, 1995, and in the patent application PCT / FR96 / 00418 filed March 20, 1996, on behalf of the Breton Society of Oceanographic Instrumentation BrIO.
Arrière-plan de l'invention
La mesure de la vitesse des courants en profondeur dans l'Océan a de nombreuses applications, en particulier dans les domaines suivants: recherche scientifique (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 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 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, adaptés à ces nouveaux besoins (Voir par exemple le document intitulé "The Ocean Observing System Development Panel, 1995, Final report", Dr. Worth D. Nowlin, Jr, Department of
Oceanography, Texas A & M University, College Station, Texas 77843-3146; fax (409) 845-0888).Background of the invention
The measurement of the speed of deep currents in the ocean has many applications, particularly in the following areas: scientific research (physical, chemical and biological oceanography), operational monitoring of material transport by the ocean (particularly pollutants), operational monitoring of energy transport in
Oceans (meteorology, climate prediction), prediction of 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 exchanges on the other hand, allow to consider in the near future considerable progress in the knowledge and forecast of ocean circulation. This progress is, however, conditioned to a large extent by the provision of in situ traffic measuring instruments adapted to these new needs (see, for example, "The Ocean Observing System Development Panel, 1995, Final Report". , Dr. Worth 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 present invention is aimed primarily at satisfying this new request; 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 the current instruments, as a result of their limitations of performance or implementation.
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 velocity of marine currents at a given geographic 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. Warren et Carl Wunsch, 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 croît 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 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 currentometers equipped with a magnetic compass, oriented by a stabilizer in the direction of the current, arranged at various levels along a line anchored at the bottom of the In general, the vertical component of the speed of the current is not measured by these instruments. (See, for example, the book entitled "Evolution of Physical Oceanography,
Bruce S. Warren and Carl Wunsch, The MIT Press ") Data are stored in mechanical memory (for older current meter models) or electronics (for newer models) Data is collected by looking up the line This method allows only discrete measurements at a limited number of points of the water column, the difficulty of its implementation increases sharply with the depth, it requires expensive means at sea for the wetting and retrieval of instruments, provides data only long after the observation of the phenomena, is not (or little) likely to automate the transmission and collection of measurements, powered by energy sources of limited capacity it is not designed to work for periods longer than the 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 wetting line (system called "YOYO"). This system allows measurements of the three components of the speed of the current continuously over the entire height of water. It can transmit its measurement results in a short time. Its implementation and its maintenance are expensive (use of ships for launching and recovery) and all the more difficult that one works at great depth.
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). Other devices for measuring vertical profiles of so-called ADCP currents ("Acoustic Doppler Current Profilers") have appeared more recently. In these devices, there is on the surface or on the seabed, a transceiver assembly with three acoustic channels, associated with directional transducers. An acoustic wave beam, generally high frequency (300 or 600kHz for example) is transmitted in the direction of the local vertical, and the backscattered signal received by the receiver on the three transducers by the particles in suspension in the water is observed. . The analysis of the signal (echo return-to-return time, Doppler, differences in the Dopplers received between the three channels, levels of the signals received on each of the three channels) makes it possible to determine the three components of the speeds of said particles, and so current. Such a system has many advantages for making continuous and automatic measurements of current profiles; on the other hand, it is very limited in scope (this being itself a function of the quantity of bubbles or particles in suspension) (see, for example, PCT Patent WO 92/05456).
Depuis une trentaine d'années, on a recours à des flotteurs dérivants à immersion contrôlée pour réaliser 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. Over the last 30 years, controlled immersion drift floats have been used to measure depth velocity profiles at depth: these floats are used as tracers for the circulation of the water body, to be immersed in water. setpoint. The change of the immersion set point value can be triggered by registered program or by remote control, thus making measurements on different depth levels. The possibilities of such a system used in current profiler are limited, however, and its heavy implementation (the location measurements use a network of acoustic sources); the possibilities of site selection and sounding depths are low. The creation of observation histories on a given area requires interpolations that obey the precision of the result. The data is not transmitted in near real time to the user. The number of measurement points in profile 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 some current measurements in profile are made from ships or towed gear, but in areas of limited depth.
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 spatio-temporel 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 object of the present invention is to provide a method and a device for producing vertical profiles of the measurement of a marine current making it possible to generate time series of measurements at a point chosen by the operator, to carry out spatio-temporal sampling. measurement of sea currents across a predetermined area, collecting and transmitting the collected data in near real-time and in a format allowing automatic assimilation by a digital model of traffic, ground.
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 mesure plus légère que l'eau, larguée à partir d'une plateforme reposant sur ledit fond, caratérisé 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 @, ) < p) successives d'un axe passant par la plateforme 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 (tA) de la sonde, les trois composantes (ux, uy, uz) du vecteur vitesse du courant marin, en chaque point de la trajectoire suivie par la sonde. These aims of the invention, as well as others which will become apparent from reading the description which follows, are achieved with a method of producing vertical profiles of the measurement of a marine current from a seabed to the seabed. surface of the water, using a measurement probe lighter than water, released from a platform resting on said bottom, caratérisé in that it is measured and recorded on board the probe, along the upward trajectory thereof, a) the angular positions @) <p) successive of an axis passing through the platform and the probe, b) the vertical distance separating them at the moment of the measurement of each position of this axis, and from these measurements and from the knowledge of the upward velocity (tA) of the probe, the three components (ux, uy, uz) of the velocity vector of the marine current are obtained 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 plateforme (1) susceptible d'etre coulée sur le fond marin, cette plateforme 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 plateforme et une sonde larguée pour le relevé des angles de gisement (cp) et de hauteur (0) 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. For the implementation of this method, the invention provides a device comprising
a / a platform (1) capable of being cast on the seabed, this platform carrying at least one measuring probe (2) and means for dropping it at a predetermined time, said probe comprising means (16) sensitive to hydrostatic pressure for measuring the vertical distance of the probe from the seabed, all along its ascent path, and
b) interferometric means (9,15,17,18,19,20) distributed between the platform and a dropped probe for the survey of the bearing angles (cp) and height (0) of the axis passing through the platform and said dropped probe, all along the ascent path thereof, and
c) means for processing and transmitting the measurement signals to draw from them the components of the speed vector of the marine current along the path of the ascent of the probe.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, lesdits moyens interférométriques comprennent un émetteur-balise acoustique (9) fixé sur la plateforme (1) et un ensemble de réception installé sur la sonde (2). According to a preferred embodiment of the invention, said interferometric means comprise an acoustic beacon transmitter (9) fixed on the platform (1) and a receiver assembly installed on the probe (2).
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 dispositif selon l'invention, ("la station"), dans la configuration qu'il occupe avant son immersion,
-la Fig.2, une coupe par un plan vertical passant par son axe de symétrie, d'une sonde (2),
-la Fig.3, une représentation de la séquence d'évènements caractéristiques du processus selon l'invention,
-la Fig. 4, un schéma géométrique de la cinématique de la sonde (2) pendant son ascension,
-la Fig. 5, un schéma des forces s'exerçant sur la sonde (2) pendant son ascension,
-la Fig. 6, un schéma mettant en évidence la géométrie du dispositif de réception interférométrique,
-la Fig. 7, un diagramme-bloc représentant le schéma des organes électriques et électroniques de la plateforme (1),
-la Fig. 8, un diagramme-bloc représentant le schéma des organes électriques et électroniques de la sonde (2).In the attached drawing, given only as an example:
FIG. 1 represents a section through a vertical plane passing through its axis of symmetry, of the assembly of the device according to the invention, ("the station"), in the configuration which it occupies before its immersion,
FIG. 2, a section through a vertical plane passing through its axis of symmetry, of a probe (2),
FIG. 3, a representation of the sequence of characteristic events of the process according to the invention,
FIG. 4, a geometric diagram of the kinematics of the probe (2) during its ascent,
FIG. 5, a diagram of the forces exerted on the probe (2) during its ascent,
FIG. 6, a diagram highlighting the geometry of the interferometric reception device,
FIG. 7, a block diagram showing the diagram of the electrical and electronic components of the platform (1),
FIG. 8, a block diagram showing the diagram of the electrical and electronic organs of the probe (2).
Description détaillée de l'invention. Detailed description of the invention.
Principe du procédé, composition du dispositif
Le dispositif objet de l'invention se compose d'une ou de plusieurs station(s) (Fig.1) destinées à etre coulées sur le fond de la mer par navire ou aéronef (Fig.3). Chaque station comporte une plateforme (1) plus légère que l'eau, reliée à un lest (4) par un orin (3). La plateforme (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.Principle of the process, composition of the device
The device that is the subject of the invention consists of one or more station (s) (FIG. 1) intended to be sunk on the seabed by ship or aircraft (FIG. Each station comprises a platform (1) lighter than water, connected to a ballast (4) by a rope (3). The platform (1) carries, at the time of its launch, several probes (2) designed to be dropped from the bottom on command of a programmer (8), then to go back to the surface under the effect of their own buoyancy. The probes are considered as lost.
Plateforme (1) et sondes (2) sont équipées d'instruments qui permettent à la sonde de se positionner par rapport à la plateforme tout au long de sa remontée, et de moyens électroniques qui enregistrent les données de positionnement recueillies 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.Platform (1) and probes (2) are equipped with instruments that allow the probe to be positioned relative to the platform throughout its ascent, and electronic means that record the positioning data collected 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 of selected geographic coordinates, the operator will record in (8) the desired drop order sequence and wet the station at the selected 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 wetted at the selected locations.
Dynamique de la sonde. Dynamics of the probe.
Soit S une sonde (2) (Fig.5), plus légère que l'eau de mer, en mouvement libre dans celle-ci après largage d'une plateforme (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 w (Oxyz) lié à la terre se décomposent en:
(1)- une composante d'ascension verticale de vitesse VA le long de la colonne d'eau dû à la composition des forces suivantes:
- la pesanteur terrestre PT=mg, appliquée au centre de masse
CdM de la sonde,
- la poussée d'Archimède PA, appliquée au centre de la masse d'eau déplacée CdP ("centre de poussée"), >
- la traînée hydrodynamique du corps de sonde TH=f(VA)
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 (C extérieur au segment CdG-CdP), l'équilibre se réalise, compte tenu des hypothèses faites, pour une valeur de VH telle que TH=PA PT . Let S be a probe (2) (Fig.5), lighter than seawater, moving freely in it after dropping a platform (1) placed on the bottom of the sea. The movements of the probe (2) (from its center of mass on the one hand, around it on the other hand) with respect to a landmark w (Oxyz) bound to the earth are decomposed into:
(1) - a component of vertical ascent of velocity VA along the water column due to the composition of the following forces:
- terrestrial gravity PT = mg, applied to the center of mass
CdM of the probe,
- the pressure of Archimedes PA, applied in the center of the displaced water body CdP ("center of thrust"),>
the hydrodynamic drag of the probe body TH = f (VA)
This force applies to the point CH. Since, by construction, the probe body is rotated about its axis, the center of mass, center of thrust and point of application of TH are aligned and arranged so as to provide a high stability (C outside the CdG- CoP), the equilibrium is realized, given the assumptions made, for a value of VH such that TH = 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 driving 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 de la sonde (2) V résulte de la composition des vecteurs VA et u. If the current vector u remains constant between two successive instants t and t + dt, the relative movement of the probe relative to the body of water is reduced to a vertical translation of speed VA; in a reference linked to the earth, the velocity vector of the probe (2) V results from the composition of the vectors VA and u.
Aucune force extérieure ne s'ajoute à celles décrites au point (1) ci-dessus: l'axe de la sonde reste vertical.No external forces are added to those described in (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 my de la sonde, appliquée au centre de masse CdM de celle-ci:
K*(dVD/dt)= my
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 other hand, the vector u varies between two successive instants, a force K * (dVD / dt) is applied to the probe, in which K is the lift coefficient of the probe in the direction exerted by said force at a point Mp (meta-center of lift of the probe), and VD the speed of "drift" of the probe relative to the surrounding medium. This force is balanced by the inertia my of the probe, applied to the center of mass CdM of this one:
K * (dVD / dt) = my
This results firstly 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 couple resulting in a change of 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. Note that the drift of the trajectory will be even lower than the ratio m / K will be low: we will take into account this remark in the construction of the probes.
Estimons l'effet d'une accélération de la masse d'eau sur l'attitude de la sonde S en prenant pour exemple le cas pratique suivant:
- variation de vitesse du courant de lms1 en lOm, soit une accélération d|VD|/dt de 10-1ms-2, appliquée horizontalement,
- accélération de dérive d|VD|/dt égale à la moitié de l'accélération du courant d|Vc|/dt (hypothèse très pénalisante),
- distance Mp-CdM: dl=lcm,
- distance CdP-CdM: d2=îcm. Let us estimate the effect of an acceleration of the mass of water on the attitude of the probe S by taking as an example the following practical case:
- speed variation of the current of lms1 in lOm, ie an acceleration d | VD | / dt of 10-1ms-2, applied horizontally,
drift acceleration d | VD | / dt equal to half the acceleration of the current d | Vc | / dt (very penalizing hypothesis),
distance Mp-CdM: dl = 1cm,
- CdP-CdM distance: d2 = cmcm.
- distance Mp-CH: d3=l0cm. distance Mp-CH: d3 = 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: dl * mγ=d2 * mg+d3 *TH *VA
soit:
d2=d1 *γ/g-d3*T*|VA|/ mg|
Tous calculs faits, dans cet exemple, la variation d'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 d*TH*VA/m. The equilibrium conditions in attitude of the probe are obtained by writing that the vector sum of the "lift" and "drag" pairs is zero, ie: dl * m γ = d2 * mg + d3 * TH * VA
is:
d2 = d1 * γ / g-d3 * T * | VA | / mg |
All calculations made, in this example, the variation of attitude of the probe due to the variation of current will not exceed 0.25
degrees of angle; this error can even be reduced by
building by looking for a high ratio of TH * VA / m.
(3)- la force de Coriolis fc. Soit Q la vitesse de rotation de
la Terre et VA la vitesse de remontée de la sonde: on a:
fi l= 2mlQVAI
Si le sondage se fait à l'équateur, Q et VA sont perpendiculaires, on se trouve dans les conditions qui maximisent Ifcl. IQVAI vaut (en prenant comme hypothèse VA=lms-l:
2n/86164*1= 7,2*10-5 mus~2, très faible comparée à celle de la
pesanteur terrestre 9,8mus~2. (3) - the strength of Coriolis fc. Let Q be the speed of rotation of
Earth and VA the rate of rise of the probe: we have:
fi l = 2mlQVAI
If the sounding is done at the equator, Q and VA are perpendicular, we are in conditions that maximize Ifcl. IQVAI is (assuming VA = lms-l:
2n / 86164 * 1 = 7.2 * 10-5 mus ~ 2, very weak compared to that of the
Earth's gravity 9,8mus ~ 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 exercised in the direction of the parallel
local 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 Oxyz (Fig.4)
(Oz vertical, Ox orienté vers le Nord) une sonde S, 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 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'espace Oxyz peut être assimilée à une translation pure au cours de laquelle
son axe de symétrie se maintient parallèle à Xz (aux
approximations près discutées ci-dessus), à une vitesse relative
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, sa vitesse absolue V(t) dans le
repère Oxyz résulte de la composition du vecteur VA et du vecteur C t), vitesse du courant au point M.In the Oxyz Cartesian coordinate system (Fig.4)
(Vertical Oz, North-Oriented Ox) S, Lighter
as seawater, freely moving in it and localized
at the point M (projection m on the plane Oxy, and coordinates
x (t), y (t), z (t)) at the instant t after ejection of a platform P
posed on the bottom of the sea, and located at the origin of the trihedron
Oxyz. The S probe is characterized by symmetry of revolution
around an axis on which are located its center of thrust and
its center of mass, by a great static stability and
hydrodynamic and negligible dimensions compared to
the thickness of the current layers to be measured. In these
conditions, the kinematics of the said probe in the Oxyz space can be assimilated to a pure translation in the course of which
its axis of symmetry is parallel to Xz
approximations discussed above), at a relative speed
relative to the surrounding seawater, determined by its
hydrodynamic characteristics and by the local density of
sea water. At instant t, its absolute speed V (t) in the
Oxyz mark results from the composition of the vector VA and the vector C t), speed of the current in 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)+W. 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. The principle used in the invention for reconstituting the
vertical profile of the current vector along the water column
traveled by the probe consists in measuring V (t) = u (t) + W. from instruments located aboard the probe S, then to subtract from the calculation at the data processing center, the vector VA.
En d'autres termes, on utilise la sonde comme traceur des courants marins au long de la colonne d'eau.In other words, the probe is used as tracer of the marine 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 (de gisement) et (t)=(Oz,OM) (de hauteur), (2) la différence de profondeur D(t) entre la sonde S et la plateforme P, et (3) la projection sur OM de la vitesse de déplacement de la sonde par rapport à la plateforme (Doppler sonde-plateforme) . Soit W(t) cette projection, et r(t) la distance radiale OM. To do this, the probe is captured and recorded, at successively spaced successive instants, by means of instruments described below, (1) the (bearing) angles and (t) = (Oz, OM) ( height), (2) the difference in depth D (t) between the probe S and the platform P, and (3) the projection on OM of the speed of displacement of the probe relative to the platform (Doppler probe-platform ). Let W (t) be this projection, and let r (t) be the radial distance OM.
La position du point M s'écrit:
x(t)=r(t).sin#(t).cos#(t)
y(t)=r(t).sin#(t).sin#(t)
z(t)=r(t).cos#(t)
ou encore, comme D(t)=r(t) .cos8(t)
x(t)=D(t).tg#(t).cos#(t)
y(t)=D(t).tg#(t).sin#(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 l'écriture:
u=dx/dt=D' .tg#.cos#+(D/cos2#) .cos#.d#/d#/dt-D.tg#.sin#.d#/dt
uy=dy/dt=D' .tg#.sin#.+(D/cos2#) .sin#.d#/dt+D.tg#.cos#.d#/dt
W=dz/dt=D'- IVA
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 0, ç et D.The position of the point M is written:
x (t) = r (t) · sin # (t) cos # (t)
y (t) = r (t) · sin # (t) · sin # (t)
z (t) = r (t) cos # (t)
or again, as D (t) = r (t) .cos8 (t)
x (t) = D (t) .tg # (t) cos # (t)
y (t) = D (t) .tg # (t) · sin # (t)
z (t) = D (t)
The components of the speed of the current at the point M are obtained by derivation of the preceding expressions and subtraction of the vector VA, that is, by simplifying the writing:
u = dx / dt = D '.tg # .cos # + (D / cos2 #) .cos # .d # / d # / dt-D.tg # .sin # .d # / dt
uy = dy / dt = D '.tg # .sin #. + (D / cos2 #) .sin # .d # / dt + D.tg # .cos # .d # / dt
W = dz / dt = D- IVA
It is thus possible to 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 0, ç 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.sin#.cos#+uy.sin#.sin#+D'.cos#
ce qui donne une relation supplémentaire entre les paramètres.Finally, the accuracy of the results can be improved from the measurement of the projection W (t) on OM of the speed of displacement of the probe. Geometric relations allow you to write: + + +
W (t) = ux.sin # cos # + # uy.sin · sin # + cos # OF
which gives an additional relation between the parameters.
Cette mesure sera particulièrement adaptée lorsque le dipositif vise principalement à mesurer la composante verticale u du courant.This measure will be particularly suitable when the dipositif is mainly aimed at measuring the vertical component u of the current.
Remarques
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.Remarks
1- 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 trajectory restitution, and thus the precision of the results: to do this, we will be able to take into account in the calculation of the variations of speed of sound (for Dz (t)) and of Archimedes thrust (for V (t)) due to the heterogeneities of the layers of water.
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-l contre quelques dm.s-l), et qui s'obtient par différence entre deux mesures indépendantes Dz (t) et VA(t). This point will be particularly important for an accurate rendering of uz, whose order of magnitude is generally very low compared to the rate of rise of the probe (a few cm.sl against some dm.sl), and which is obtained by difference between two independent measurements Dz (t) and VA (t).
De même, une amélioration de la précision sur ux(t), u7 < t) et uz(t) peut être obtenue, si on connaît le profil de densité, en modélisant le trajet des parcours acoustiques dans l'eau, et en tenant compte des effets de réfraction. Similarly, an improvement of the accuracy on ux (t), u7 <t) and uz (t) can be obtained, if the density profile is known, by modeling the path of the acoustic paths in the water, and taking into account account for 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'autres paramètres, comme densité, température/salinité ou encore célérité du son, à partir de capteurs embarqués sur les mêmes sondes (Voir le brevet PCT FR96/00418 déposé le 20 Mars 1996 au nom de la
Société BrIO). Cette combinaison présente en effet un double intérêt: (1) 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 précision des mesures de courant.2- In many cases of application of the invention, it will be interesting to combine in the same profiling system the current measurements and the readings of other parameters, such as density, temperature / salinity or fastness of sound, to from sensors embedded on the same probes (See PCT patent FR96 / 00418 filed March 20, 1996 in the name of the
BrIO company). This combination has indeed a double interest: (1) to provide measurements of all the static and dynamic physical parameters of the situation of a body of water at a given instant and of its evolution, essential information for the modeling of the circulation oceanic, (2) allow an improvement in the accuracy of 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 de départ et d'arrivée en surface (voir à ce sujet la demande de brevet français n" 95 12996 du 03.11.1995). 3- It will also be possible to improve the precision on the knowledge of the drag coefficient of the probe by measuring its total ascent time, for example by determining the starting depth, and the departure and arrival times at the surface (see this subject the French patent application No. 95 12996 of 03.11.1995).
Mode de réalisation. Embodiment.
Description d'une station et de ses éléments
La plateforme (1) se compose (Fig.1 et 7) d'une structure porteuse comprenant un tube central, un châssis (5) et des carénages. Cette structure ménage des alvéoles (6) dans chacune desquelles est tenue mécaniquement une sonde (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).Description of a station and its elements
The platform (1) consists (Fig.1 and 7) of a supporting structure comprising a central tube, a frame (5) and fairings. This structure accommodates cells (6) in each of which is mechanically held a probe (2) via inflatable enclosures (7) and an electrolysable drop wire (11). The structure also carries a programmer (8), an acoustic transmitter / beacon (9) and a battery (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 probe (2) consists (Fig.2 and 8) of a body (12) ovoid pressure-resistant glass, in which is made an orifice (13). Its volume ensures all the positive buoyancy sought. A molded part (14) is fixed to the body (12) by fitting without play in the orifice (13) which it closes tightly; it carries a doublet of acoustic transducers (15) and a pressure sensor (16) connected to the inside of the body (12) by overmolded electrical crossing cables, as well as appendages (17) serving as empennages for the probe and fixing for the release wire (11). The empennages of the probe comprise helical fins in the manner of a log fish, intended to give the probe a rotational movement at a constant speed during its ascent.
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). Inside the body (12) are mounted the following electronic components: a two-channel acoustic receiver (18) connected to the transducer doublet (15), a magnetic north-passage detector (19), a processing electronics signal (20), a pressure measuring electronics (21) connected to the sensor (16), a microprocessor (22), a clock (23), a probe programmer (24), a radiofrequency transmitter / encoder (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-ci (deux passages par tour) et celle d'un compas magnétique de sonde, peu précis mais suffisant pour lever l'ambigüité de 1800 fournie par la bobine. 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 at the times of zero crossing of that (two passes per turn) and that of a probe magnetic compass, not very accurate but sufficient to remove the ambiguity of 1800 provided by the coil.
Déploiement des stations et des sondes
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).Deploying stations and probes
The factory-prepared station is wetted at the selected location for profiling, either by slinging from a ship or by parachuting from an aircraft (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 plateforme (1) et des sondes (2) (Fig.3,c,d).The station sinks under the action of gravity, the weight of the ballast (4) being greater than the sum of the buoyancy 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 plateforme (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 at the platform (1) by the release son (11).
A des moments successifs choisis par l'opérateur et mis en mémoire, le programmeur de plateforme (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) triggers the release of the probes (2) in sequence (Fig.3, e). This release is obtained simply by electrolysis in the seawater of the wire (11), made for example magnesium, a few minutes after application of an electrical potential between the latter and an electrode mounted on the frame (5). The rupture of the release wire opens a monitoring circuit in the probe, which controls the powering up 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 entrainée 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 dropped, the probe (2) begins its ascent (FIG. 3, f) at an almost constant speed VA 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 acting on its body (12) and empennages (17) tend to maintain its vertical axis of revolution, and to generate a slow rotation (of the order of 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 l'arrivée en surface de la sonde (2), détectée soit par le capteur de pression (16) soit par un détecteur spécialisé (voir demande de brevet citée), 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). Throughout the ascent, the positioning and recording instruments (18,19,20,21,22) are activated; the data collected is stored in the memory of the microprocessor (22). At the surface arrival of the probe (2), detected either by the pressure sensor (16) or by a specialized detector (see cited patent application), the probe programmer (24) triggers (FIG. ) a procedure for transmitting data collected to an ARGOS data collection satellite for subsequent retransmission to a Processing Center (Fig.3, h).
Les instruments de positionnement des sondes
Les données brutes devant servir au relèvement des angles < p(t) (gisement) et 0(t) (hauteur) sont obtenus à partir d'un dispositif inteférométrique acoustique composé de l'émetteurbalise (9) fixé sur la plateforme (1) (Fig.1), et d'un ensemble de réception installé sur la sonde (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).The positioning instruments of the probes
The raw data to be used for raising the angles <p (t) (bearing) and 0 (t) (height) are obtained from an acoustic interferometric device composed of the transmitter (9) fixed on the platform (1) (Fig.1), and a receiving assembly installed on the probe (Fig.2) comprising: the transducer doublet (15), the two-channel receiver (18), the magnetic north pass 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. During the time of the ascent of a probe, the acoustic beacon transmitter (9) is energized; it emits a signal whose spectrum is a fixed and stable frequency carrier, modulated by sub-carriers themselves subharmonic carrier, and connected in phase with it. The emission is radiated towards the upper half-plane.
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. On the probe (2), the reception chain receives the corresponding signal. The interferometric base constituted by the doublet of transducers (15) is animated, like the probe body, with a rotation movement of vertical axis, around its axis of symmetry.
Le traitement de signal est réalisé dans l'électronique (20) de la manière suivante:
- on mesure les différences de temps entre l'instant to de passage au Nord magnétique du détecteur (19) et les instants t1 et t 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 porteuse et les sousporteuses du signal reçu, et se produit deux fois par tour,
- on mesure la période T de rotation de la sonde, entre deux instants,
on obtient: #(t) radians= ( (t1-t0) + (t2-T/2-t0))/2T,
- on mesure à chacun des instants tl+T/4 et t1+3T/4 (doublet (15) dans le plan Oz,OM) la différence de phase + 2 entre les signaux reçus sur chacun des canaux (Fig.6) . On obtient deux estimations de e < t) telles que:
tg #1(t)= (#1-#2/2#)*#/L à t1+T/2
tg 8(t) = ((+ +X)/2X)*X/L à */L à +3T/2
où x est la longe sonde, dus soit à des causes extérieures, soit à des défauts de symétrie ou d'alignement.The signal processing is performed in the electronics (20) as follows:
the time differences between the moment to passage of the magnetic north of the detector (19) and the times t1 and t are measured, where the difference in path 1 between the two transducers (15) is zero (doublet perpendicular to OM) ( Fig. 6), which is deduced from the phase measurements on the carrier and the subcarriers of the received signal, and occurs twice per turn,
the period T of rotation of the probe is measured between two instants,
we get: # (t) radians = ((t1-t0) + (t2-T / 2-t0)) / 2T,
at each of the instants tl + T / 4 and t1 + 3T / 4 (doublet (15) in the Oz plane, OM), the phase difference + 2 is measured between the signals received on each of the channels (FIG. We obtain two estimates of e <t) such as:
tg # 1 (t) = (# 1- # 2/2 #) * # / L to t1 + T / 2
tg 8 (t) = ((+ + X) / 2X) * X / L to * / L to + 3T / 2
where x is the long probe, due either to external causes or to symmetry or alignment defects.
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). Finally, the vertical distance D (t) is obtained by pressure measurements: the difference between the bottom pressure and the pressure at time t, measured by the same measuring chain elements (16) and (21).
La faisabilité de la liaison entre l'émetteur/balise et le récepteur de sonde ne pose pas de problème difficile. En effet, l'intensité sonore reçue 1r 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:
Ir= Pe*1/4xR2 *S= 0,15 *10-12 W
entraînant une variation de pression sur l'hydrophone de:
AP=(I*2pc)-l/2= O, 7* 10~3 pascal
dans une bande de fréquences très faible.The feasibility of the link between the transmitter / beacon and the probe receiver does not pose a difficult problem. Indeed, the sound intensity received by a surface transducer
S = 1cm2 on a probe located at a distance R = 7500m from a transmitter radiating in its direction a power Pe of 1W is:
Ir = Pe * 1 / 4xR2 * S = 0.15 * 10-12 W
causing a variation of pressure on the hydrophone of:
AP = (I * 2pc) -l / 2 = O, 7 * 10 ~ 3 pascal
in a very low frequency band.
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 outer shape of the probe (2) (Fig.2) is that of a spindle with empennages, the assembly being of revolution around the axis of the spindle. The set must be designed to:
to minimize the mass of the probe,
ensure a good alignment of the center of thrust, the center of mass, the hydrodynamic drag and lift centers, the axis of the doublet on the axis of revolution,
minimize the distance center of mass-metacentre of lift,
ensure a significant coefficient of lift,
set the drag center as low as possible,
ensure rapid damping of pitch / yaw movements,
driving the assembly 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: ovoid-shaped probe body, empennages (17) having the shape of a flat disc, axis coinciding with the axis of the probe, terminated by a cylinder section of the same axis, carrying helical fins. The pitch of the propeller is designed to ensure a rotation of about 1 turn 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. Particular care will be attached to the realization of an outer profile of the probe of revolution, to the alignment of the body (12) and the part (14), the fixing without play of the equipment inside the body (12). ); finally, we will perform a static balancing of each probe at the end of manufacturing in the factory.
L'électronique de sonde se compose (Fig.8) d'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). The probe electronics consists (Fig. 8) of a two-channel acoustic receiver (18) connected to the transducer doublet (15), a magnetic north pass detector (19), a signal processing electronics ( 20), a pressure measuring electronics (21) connected to the sensor (16), a microprocessor (22), a clock (23), a probe programmer (24), a radiofrequency transmitter / 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 traditional and does not pose a difficult problem of design.
Champ d'applications et avantages de l'invention. Field of application and advantages of the 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
Ocean Observation System" est emblématique) que militaires.The main field of application of the invention is the provision of current flow data to ocean circulation research, monitoring and forecasting organizations using numerical models. The corresponding requirements are expected to increase considerably over the next ten years, both for civil uses (for which the Ocean Circulation component of the Global Project
Ocean Observation System "is iconic) as 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 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 application for the following reasons: (1) the structure of the spatio-temporal meshing 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 implantation of the network to obtain the maximum of experimental significance, (3) the possibility of realizing simultaneous observations at various geographical locations also support this, (4) the ability to transmit data in near real time and without any manual intermediaries to the Processing Center can automate the entire processing chain and reduce volumes. considerable amount of digital processing necessary to assimilate the data, (5) the economy of the means to implemented to deploy, maintain or extend the observation network is considerably lower than with the 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 cidessus). In addition, the measurement in current flow profile can be performed in conjunction with that of other more conventional profile measurements such as temperature and salinity. The grouping of these measurements into a profile then provides a set of state and flow data of particular interest for the registration of digital circulation and energy exchange models in the ocean (see patent application PCT / FR96 / 00418 quoted 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 (Plateformes 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 disclosed method and device can also be used for local ocean observation purposes, to collect ocean course data over a season or years, at a single site, or at a single site. a small number of sites of interest to oceanographic researchers or supervisors of works operating at sea (oil platforms for example). Its application to these use cases will be all the more advantageous if the site to be observed will be remote and / or difficult to access, the experiment will have to involve long periods of time (several years), and that the measurement will at least partially be of great depth.
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 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. The following advantages of the invention may be cited in a non-exhaustive manner, as compared to the methods and devices currently used: (1) reduction of the cost of acquiring oceanographic data, especially when the experiment is intended to capture time series of measurements, at a given geographical point or, in a coordinated manner over time, at several points in a network, (2) great flexibility in the choice of geographical locations and survey schedules, in particular to obtain synoptic views by horizontal and vertical "cuts" of the water bodies, (3) great repetitiveness of the measurement conditions, quality factor of the results, (4) important reduction of the delays, costs and risks of transmission, processing and data dissemination made possible by the complete automation of the data acquisition, collection and processing chain, (5) possibility to reserve an hour this process has been confidential, from the setting up of seabed stations to the dissemination of data, allowing a classified and / or commercial operation of the data collection system 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 should be noted that the implementation of the invention does not make use of new or "revolutionary" technologies; On the contrary, it is based on the combination of proven technical solutions already used in other fields.
Claims (11)
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|---|---|---|---|
| FR9612018A FR2754064B1 (en) | 1996-10-02 | 1996-10-02 | METHOD AND DEVICE FOR PERFORMING CHRONOLOGICAL SERIES OF MEASUREMENTS OF VERTICAL CURRENT SPEED PROFILES IN A MASS OF SEA WATER |
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| FR9612018A FR2754064B1 (en) | 1996-10-02 | 1996-10-02 | METHOD AND DEVICE FOR PERFORMING CHRONOLOGICAL SERIES OF MEASUREMENTS OF VERTICAL CURRENT SPEED PROFILES IN A MASS OF SEA WATER |
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| FR (1) | FR2754064B1 (en) |
Cited By (1)
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| CN114152244A (en) * | 2021-12-08 | 2022-03-08 | 邓群 | Auxiliary measuring point device for construction of ocean energy power generation platform |
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- 1996-10-02 FR FR9612018A patent/FR2754064B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| FR2754064B1 (en) | 1998-12-24 |
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