Essais & Simulations n°115

Dossier
Incertitudes de mesure
Effet Doppler
Correction des erreurs angulaires issues de mesures
de courants marins basées sur l'effet Doppler
La vitesse et la direction des courants marins peuvent être mesurées avec des “courantomètres” ou
des “profileurs” acoustiques basés sur l’effet Doppler, nommés ADP ou ADCP (Acoustic Doppler Current
Profiler). Ces instruments sont installés sur des supports mobiles ou fixes (bateaux, cages ou
lignes de mouillage), et il est nécessaire de corriger leurs mesures en fonction de leur orientation (ou
cap), du roulis et du tangage, afin de les interpréter dans un référentiel terrestre. Pour cela, ils sont
équipés de compas magnétiques et de capteurs d’inclinaison. Mais les compas sont sensibles à leur
environnement magnétique et donc, leur étalonnage doit être réalisé dans leur configuration de mesure.
Dans ce but, une plateforme d’étalonnage spécifique a été conçue et réalisée, permettant de
définir une procédure de correction des données issues des compas magnétiques et des capteurs
d’inclinaison. Les résultats obtenus montrent que les incertitudes finales sont incluses dans les faibles
intervalles de tolérances assignés.
1. INTRODUCTION & OBJECTIFS
Abstract
Speed and direction of sea currents can be measured with currentmeters
or profilers based on the Doppler effect, called ADP or ADCP (Acoustic
Doppler Current Profilers). These instruments are installed on mobile or
steady supports (carriers, mooring cages or lines), and it is necessary to
correct the measured data in heading, roll and pitch, in order to interpret
them in a terrestrial referential. In this way, ADP and ADCP are equipped
with magnetic compass and tilt sensors. But compass are sensible to their
magnetic environment and then their calibration must be realised in their
configuration of measurement. In this aim, a specific calibration platform
has been designed and carried out, that permits to define a correction
procedure of the measured values issued from the magnetic compass and
tilt sensors. According to the test results, the final uncertainties are within
low assigned tolerances.
Key-Words: sea current, profiler, effect Doppler, magnetic compass, tilt
sensor, angular errors, calibration, correction procedure, uncertainty estimation;
Jusqu’au début des années 2000,
vitesse et direction des courants
d’eau (mer et fleuves) étaient mesurées
avec des courantomètres mécaniques.
Ceux-ci ont été remplacés
progressivement par des instruments
basés sur des techniques acoustiques
utilisant l’effet Doppler. Les
courantomètres effectuent cette mesure
dans une tranche d’eau située
à quelques dizaines de centimètres
de l’émetteur, par l’envoi d’impulsions
et l’écoute de leurs échos. Les
profileurs Doppler nommés selon les
fabricants ADP ou ADCP (« Acoustic
Doppler Current Profiler »), réalisent
la même opération mais dans
des tranches d’eau successives réparties
sur une plus grande distance
(de quelques mètres à plusieurs
centaines de mètres), selon leur
fréquence d’émission et la composition
particulaire du milieu [1]. Ce
sont des instruments qui permettent
la mesure des courants marins ainsi
que l’estimation du débit des fleuves
et des rivières. Les ADCP peuvent
être fixés sous la coque des bateaux,
ce qui permet d’accéder rapidement
aux sections de vitesse de
déplacement des masses d’eau, sur
des cages de mouillage déposées
sur le fond ou sur des cages que l’on
Mots-clé
courant marin, profileur, effet
Doppler, compas magnétique,
capteur d’inclinaison, erreurs
angulaires, étalonnage, procédure
de correction, estimation
d’incertitude ;
descend à l’aide d’un treuil (technique
du LAD pour Lowered ADcp)
et, plus rarement, sur des lignes de
mouillage. Dans tous les cas, il est
nécessaire de retrouver la direction
des courants, d’abord par rapport
au Nord magnétique puis par rapport
au Nord géographique. Cette opération
est réalisée à l’aide d’un compas
magnétique inclus dans l’instrument.
Pour compenser les angles
que peuvent prendre le compas et le
courantomètre par rapport à la verticale,
ils sont dotés d’un capteur d’inclinaison
additionnel (« tilt sensor »).
Compas et capteurs d’inclinaison
étant rarement étalonnés, leurs
biais ne sont pas corrigés car cette
opération nécessite une maîtrise
de l’environnement électromagnétique,
les compas y étant sensibles,
comme décrit théoriquement par
D. Gebre-Egziabher et al. [2]. Pour
répondre à ce besoin, suite à une
technique expérimentée en 2007
[3], nous avons développé et mis au
Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 46