Brevet FR2732114A1 — publié le 19960927

DESCRIPTION DE L'INVENTION Domaine technique de l'invention La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour réaliser des profils verticaux de mesures de grandeurs caractéristiques d'une masse d'eau marine ou lacustre et, plus particulièrement, à un tel procédé et un tel dispositif faisant appel à des sondes équipées de capteurs de mesure sensibles aux dites grandeurs et mobiles au sein de la masse d'eau. Arrière-plan de l'invention On connait divers procédés et dispositifs fonctionnant sur ces principes, luron peut classer en quatre familles principales, selon que le déplacement de la sonde en immersion est obtenu: (A) par filage d'un câble à partir d'un navire (dans ce cas, on utilise en général le câble comme support de transmission des données mesurées vers le navire; les mesures sont enregistrées à bord de celui-ci), (B) par sa chute, sous l'effet de son propre poids (dans ce cas, les valeurs mesurées sont en général immédiatement transmises à bord du navire par voie acoustique), (C) par filages et remontées successives à l'aide d'un treuil installé sur une bouée ancrée, le long de sa ligne de mouillage (dans ce cas, on utilise en général le câble pour transmettre immédiatement les valeurs mesurées à un enregistreur situé dans le corps de la bouée; elles sont ultérieurement recueillies par satellite ou navire), et enfin (D) en utilisant les mouvements verticaux d'une bouée dérivante à immersion commandable (dans ce cas, les valeurs mesurées sont enregistrées à bord de la bouée pour retransmission au centre de traitement soit par télétransmission acoustique, soit par transmission radioélectrique, par exemple vers un satellite, lorsque la bouée revient en surface). On peut citer, à titre d'exemples, les descriptions ou réalisations suivantes: pour le cas (A), l'appareil connu sous le nom d'enregistreur bathythermographique, perfectionné constamment, en particulier pour permettre le sondage à partir d'un navire en route (cf. J.G. Dussereault et R.A. Clarke, Bedford Institution of Oceanography, Canada, "A system to collect température and salinity profiles from vessel underway" in Proceedings of the OCEANS 94 conference, I-402); pour le cas (B), les procédés et dispositifs dits XBT (sondes perdables pour mesures bathythermiques) ou XCTD (sondes perdables pour mesures de conductivité, température et pression), construites en particulier par la Société américaine Sippican Inc.; pour le cas (C), des communications récentes décrivent un dispositif destiné à l'océanographie de surveillance dit VCTD/YOYO; enfin, pour le cas (D), divers. dispositifs sont cités, en particulier "RAFOS" (cf. Rossby et al., "The RAFOS System", Jour. of Atmos. and Ocean. Tech., vol.3, N"4 (Dec. 1986), "MARVOR" (cf.: M. Ollitrault et al., "MARVOR, a multi-cycle RAFOS Float" in Sea Technology, Feb. 1994), et enfin Autonomous Oceanographic Profiler (cf. le brevet nO WO 93/17334, intitulé "Autonomous oceanographic profiler" de K. McCOY, ainsi que l'article "The autonomous profiling vehicle" du même auteur in Proceedings of the OCEANS 94 Conference, I-419). Le procédé décrit dans le présent document utilise un principe différent de ceux des cas (A) à (D): la sonde de mesure, équipée du (ou des) capteur(s) adéquat(s) est coulée avec une base support sur le fond de la mer ou du lac par lestage, puis est larguée à partir de celle-ci, sur ordre d'un programmateur préprogrammé; la sonde remonte le long de la colonne d'eau grâce à une flottabilité positive; les capteurs étant activés, les mesures sont effectuées selon le profil de profondeur/pression prédéterminé, stockées en mémoire pendant la remontée, et retransmises après arrivée en surface soit à une station par voie hertzienne, soit à un récepteur immergé par voie acoustique.Cette configuration présente d'autant plus d'avantages sur les systèmes précédents qu'on utilise une plus grande pluralité de sondes avec la même base, et une plus grande pluralité de bases, pour réaliser des sondages synoptiques sur une large échelle. Au regard des besoins actuels et futurs de la recherche et de la connaissance opérationnelle de l'environnement, les méthodes utilisées actuellement sont fortement limitées par les carences des procédés et dispositifs d'échantillonnage dans l'espace et dans le temps des grandeurs à mesurer. C'est ainsi qu'aujourd'hui, on ne dispose que de petites séries de mesures, faites sur des portions réduites des champs à observer, et sur de courtes périodes. Les développements les plus récents ne sont pas susceptibles d'apporter des améliorations sensibles à cette situation. Les solutions instrumentales utilisées actuellement ou en cours de développement ne sont pas à la hauteur des enjeux et des besoins de la recherche et de la surveillance océanographique: ce fait a été reconnu par plusieurs auteurs (cf. par ex. le brevet nO WO 93/17334). Une première limitation concerne les procédés de type (A), (B) et (C): un coût opératoire élevé dû à une mise en oeuvre par navire, des possibilités d'expérimentation limitées dans l'espace et dans le temps. (cf. le brevet n" WO 93/17334). Une seconde limitation concerne les procédés de type (D): la réalisation de vues en coupe, verticale ou horizontale de "fronts" caractérisant la frontière entre deux masses d'eau n'est évidemment pas possible avec des bouées dérivantes qui sont entraînées par le mouvement de celles-ci; or cette information est importante pour une description et une surveillance complètes des mouvements des grandeurs caractéristiques de l'océan. Une troisiéme limitation concerne tous les systèmes actuels: elle porte sur le degré de liberté de l'expérimentateur dans le choix des emplacements géographiques des lieux de sondage.Ces aspects sont importants pour la réalisation de modèles de circulation: avec les procédés actuels, l'expérimentateur doit se satisfaire de points d'entrée dans son modèle situés à des positions géographiques souvent sans rapport avec une optimisation de celui-ci, soit pour des raisons de coût, soit à cause du principe du procédé utilisé: c'est ainsi que la couverture de certaines zones critiques comme par exemple certains détroits éloignés des routes maritimes, particulièrement importante pour l'expérimentation, n'est pas satisfaisante avec les procédés actuels. Une quatrième limitation est également propre à tous les systèmes actuels: ils ne permettent pas de réaliser les prélèvements de manière coordonnée dans le temps entre différents sites d'observation, de façon à fournir des "vues" synoptiques d'une situation des masses d'eau, par exemple des coupes horizontales successives réalisées au même instant sur de vastes régions géographiques, ou encore des séries d'observations "phasées" par rapport à un phénomène périodique, comme la marée ou la saison. Or, cette qualité est importante pour optimiser la modélisation et pour interpréter des prévisions réalisées par les modèles de circulation.Une cinquième limitation est la suivante: pour faire face à la pénurie de données, les expérimentateurs sont actuellement dans l'obligation d'avoir recours à une multiplicité de sources, de les rassembler et de les combiner; or, les systèmes actuels utilisent des instruments variés de provenances parfois différentes; leur précision et leur intercalibration sont parfois sujets à caution; leurs procédures de mise en oeuvre sont diverses; elles sont également sujettes, dans certains cas, au risque d'erreurs dus à des opérations manuelles. Aucun système ne permet actuellement de réaliser une homogénéité totale (1) de spécifications et de construction des matériels (2) de mise en oeuvre et de calibration et (3) de transmission et de validation des données.Une sixième limitation concerne les procédés utilisant des bouées dérivantes ou ancrées: certains capteurs, en particulier électriques (par exemple, mesure de conductivité de l'eau) ou optiques (par exemple pour mesures biochimiques), devant séjourner pendant de longues périodes dans le milieu environnant, doivent être protégés contre les agressions de celui-ci, et recalibrés de temps en temps, ce qui rend leur mise en oeuvre difficile. Une septième limitation concerne tous les systèmes (A), (B) et (D): elle porte sur la longueur des délais de transmission aux centres de traitement des observations faites (quelques semaines à quelques mois pour les observations à partir de navires, quelques mois pour les flotteurs à immersion programmée).De plus, dans les cas (A) et (B), ces délais sont soumis aux aléas des programmes de navigation des navires supports (changements de programme des navires d'opportunité ou spécialisés, conditions de mer, pannes ou difficultés techniques ...). Cette limitation a des conséquences très dommageables (1) sur le coût et l'efficacité des équipes et des moyens chargés du traitement et de la diffusion des données, et (2) sur le contrôle de qualité des mesures dans le cas d'un système opérationnel. Il est fort pénalisant dans le cas d'expérimentations scientifiques, dont la durée est longue par rapport au rythme des travaux des chercheurs. Enfin, on peut penser que ces délais ne sont pas négligeables au regard de certains phénomènes à observer, et seraient donc source d'erreurs expérimentales dans certains cas.Une huitième limitation concerne principalement les procédés de types (A) et (B) ci-dessus: la mise en oeuvre des instruments, le recueil des données et leur transmission au centre de traitement font appel à des interventions manuelles et à des moyens de transmission multiples; même si les procédures de saisie et de transmission sont parfaitement codifiées, il existe là une source d'incidents de fonctionnement préjudiciables à la fiabilité globale d'exploitation du centre. De plus, on ne peut espérer obtenir d'importantes économies d'échelle lorsque le nombre de sondages augmente. Or, il convient d'offrir de plus en plus aux utilisateurs un service de diffusion de résultats bruts et/ou élaborés diversifié et fiable, et de garantir la confidentialité d'accès à certains utilisateurs de "produits" classifiés. Une neuvième limitation concerne les procédés de type (C) et (D) ci-dessus: les bouées utilisées présentent un danger pour la navigation, fonction de leur masse en surface, qui atteint plusieurs dizaines de kg. pour le type (D) et beaucoup plus pour le type (C). La présente invention a pour but de fournir un procédé pour réaliser des profils verticaux de mesures de grandeurs caractéristiques d'une masse d'eau marine ou lacustre, qui ne présente pas les inconvénients ou limitations invoquées cidessus, et qui présente en outre divers avantages dont en particulier la possibilité de construire un système unifié au niveau mondial de saisie et de contrôle de la circulation océanique, et de donner à l'opérateur du système les moyens de maîtriser directement, sans intermédiaire, toutes les étapes du processus de recueil des informations, depuis l'élaboration du programme de recueil des données jusqu'à la diffusion finale des résultats. On atteint ce but de l'invention avec un procédé pour réaliser des profils verticaux de la mesure d'au moins une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine ou lacustre, à l'aide d'une sonde équipée d'un capteur de mesure de ladite grandeur et mobile au sein de la masse d'eau, caractérisé en ce que: - on coule ladite sonde sur le fond de la mer ou du lac par lestage, - on commande la remontée de la sonde et l'activation du capteur pour l'enregistrement de la mesure de ladite grandeur au long de la colonne d'eau traversée par la sonde jusqu'à la surface de la masse d'eau, et - on commande une transmission des mesures relevées vers un centre d'exploitation de ces mesures. Pour la mise en oeuvre du procédé, l'invention décrit un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une sonde munie d'un capteur de mesure de la grandeur à relever, de moyens de stockage et de transmission des mesures réalisées et de moyens pour lui donner une flottabilité positive, et - une base équipée de moyens pour retenir temporairement ladite sonde et libérer celle-ci à un instant prédéterminé. D'autres caractéristiques et avantages du procédé suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la Fig. 1 est une vue schématique du corps axial du dispositif suivant l'invention, les Fig. 2 et 3 sont des vues schématiques, en coupe axiale et transversale, respectivement, du mécanisme d'éjection d'une sonde faisant partie du dispositif selon l'invention et la Fig. 4 est un schéma qui illustre le procédé suivant l'invention. Présentation de l'invention. La présente invention porte sur un dispositif de sondage réalisant, dans sa version de base, des profils verticaux de température et de salinité de la colonne d'eau, en plusieurs points géographiques, et à des instants déterminés à l'avance par l'expérimentateur; dans des variantes, non décrites cidessous, d'autres mesures peuvent être envisagées (plancton, mesures chimiques...). Le dispositif, une fois déployé, comprend une ou plusieurs stations qui sont mises à l'eau par aéronef, navire de surface ou sous-marin. Chaque station (cf. Fig. 1) comporte, au moment de sa mise à l'eau, une base (1), ayant la forme d'un cylindre fermé par un fond, aux parois ouvertes à l'extérieur, reliée par un orin (2) à un corps mort (3), une (ou plusieurs) sonde(s) (4) fixées sur la base, et un couvercle (5) conçu pour fermer la base (1) par emboîtement, comportant un élément de fixation pouvant recevoir soit un parachute (6), soit des suspentes d'élingage. é1 i nia ge. La base (1) est composée elle-même d'un châssis mécanique (7), qui supporte un ou plusieurs réceptacles (8) conçus pour assurer le maintien mécanique des sondes (4), ainsi que les mécanismes d'éjection des sondes (9). Enfin, un programmateur (10) d'éjection des sondes, alimenté par une batterie (11) est fixé sur la base (1). Chaque sonde (4) comprend: un corps (12), de forme cylindrique, terminée à une extrémité par une sphère, ouverte à son autre extrémité, un bouchon (13) qui est conçu pour obturer le corps (12) par sertissage ou vissage, et porter d'un côté une structure portant les capteurs (14) et de l'autre l'électronique de la sonde, comprenant elle-même une batterie (15) un programmateur (16) au programme enregistré dans une mémoire morte (17), une mémoire de travail (18), un codeur émetteur radioélectrique ou acoustique (19) - un aérien ou transducteur (20) - des matériaux de lestage et de flottabilité (21) et un dispositif de sabordage (22). Les organes (16), (17), (18) et (19) peuvent être regroupés dans un microprocesseur; une fonction de compression de données peut avantageusement être réalisée par ce dernier. Un joint assure l'étanchéité entre l'embase de fixation de la sonde (4) et l'embase correspondante du réceptacle (8); avant de fixer la sonde sur la base (1), on remplit le volume déterminé par le réceptacle (8) avec un liquide inerte; la différence de pression qui peut ultérieurement apparaître entre l'extérieur et l'intérieur de ce volume est annulée grâce à une membrane d'équipression.Un mécanisme d'éjection (9) propre à chaque réceptacle (8) assure, sur commande du programmateur (10) l'éjection de la sonde associée (Cf. détails Fig. 2 et Fig. 3); ce dispositif comprend lui-même: un ressort d'éjection (23) disposé dans le réceptacle; un mécanisme de largage disposé à l'extérieur de celui-ci, lui-même constitué par exemple de la manière suivante: trois bras articulés (24) terminés par des griffes sont conçus pour tenir l'embase de sonde sur l'embase correspondante du réceptacle; ces bras sont rappelés, en position ouverte au repos par rappel élastique (25), et maintenus en position fermée par une sangle ou équivalent (26); la dite sangle elle-même mise en tension par un assemblage vis/écrou (27); un largueur (28) assure la coupure du câble: dans une application marine, il peut être avantageusement réalisé par rupture d'un axe qu'on électrolyse par application d'une différance de potentiel avec le châssis. Le dispositif de sabordage de la sonde (22) peut avantageusement être réalisé, pour une application marine, de la manière suivante: le corps (12) et le bouchon (13) étant construits en deux matériaux développant une forte différence de potentiel électrolytique, sont dimensionnés pour que l'un d'eux se dissolve dans un délai de quelques semaines à la mer, entraînant l'immersion de la sonde; le phénomène ne peut se développer avant l'éjection de la sonde, le bouchon (13) étant isolé par le liquide inerte. Enfin, le couvercle (5) est réalisé dans une structure à résistance mécanique dissymétrique, telle qu'une pression d'eau de quelques bars l'écrase et la déforme de façon à la libérer de son emboîtement sur la paroi de la base (1). Les étapes de mise en oeuvre du procédé pour réaliser des profils verticaux de mesures de grandeurs caractéristiques d'une masse d'eau marine ou lacustre, - faisant l'objet de la présente invention -, sont les suivantes: - préparation en atelier (soit à terre, soit à bord d'un navire), des stations destinées à être mises en place au cours d'une même mission, du porteur (aéronef, navire ou sous-marin) comprenant les opérations suivantes: chargement en mémoire morte (17) du programme de saisie des mesures de chaque sonde, à partir des éléments demandés par l'expérimentateur, ainsi qu'un numéro d'identification qui sera transmis à chaque émission de la sonde, montage des sondes (4) sur la base (1), après remplissage des réceptacles (8) avec du liquide inerte, chargement du programme du programmateur (10) et mise en route de son horloge sur la batterie (11), montage du couvercle .La station est prête pour son transport sur le site de mise à 1 'eau. - puis (cf. Fig. 4), sur le site expérimental, largage de la station soit par avion (a) soit à partir d'un navire (b) ou encore à partir d'un sous-marin. On procède par parachutage dans le cas de largage par avion, par descente au bout d'une élingue dans le cas de largage par navire, par éjection d'un tube type lance-torpilles dans le cas d'un sous-marin. Dans le premier cas, l'ensemble coule lentement sous l'effet du poids du lest (3), jusqu'à séparation du couvercle (5) et du parachute (6), qui coulent sous l'effet de leur poids; dans le second cas, le couvercle se détache et le navire le récupère au bout de son élingue. La station, libérée du couvercle (5), entraînée par le lest, descend sur le fond par gravité (c), et se positionne au fond en position ancrée sur corps mort, la base (1) et les sondes étant en flottabilité positive.Elle est alors "stockée" au fond (d) pendant toute la durée de l'expérimentation, l'horloge du programmateur (10) de la base étant le seul organe alimenté électriquement; ce dernier commande les éjections successives des sondes, une par une, conformément à la séquence mise en mémoire (11) (Nota: dans une variante du dispositif, qui comporterait un récepteur/décodeur acoustique, l'éjection des sondes pourrait être commandée de l'extérieur par voie acoustique).A 1 éj l'éjection (e), le programmateur (16) est mis sous tension (par exemple par fermeture d'un relais genre REED jusque là tenu ouvert par un aimant permanent situé dans le socle du réceptacle (8)), les capteurs (14) viennent au contact du milieu et la sonde remonte sous l'effet de sa flottabilité positive; lors de la remontée (f), le programmateur (16) commande la saisie et la mise en mémoire (18) de chaque mesure de la séquence programmée (le plus souvent, le paramètre de déclenchement sera la pression, mesurée par un capteur ad hoc). A l'arrivée en surface (g), le codeur émetteur (19) est mis sous tension et transmet ses informations soit à un satellite de collection de données de type ARGOS ou similaire (à défilement), en se conformant à la procédure définie par l'exploitant du satellite, ou encore (h) transmet ses informations à une ou des stations sous-marines par voie acoustique. Plusieurs séquences d'émission, convenablement décalées dans le temps, sont nécessaires pour assurer avec un niveau de probabilité convenable, la bonne réception par le satellite ou par la station sous-marine de la totalité du contenu des messages à transmettre. Si nécessaire, la sonde peut être localisée par le satellite par mesure du Doppler de la fréquence porteuse en début et en fin de chaque séquence d'émission, à partir de deux séquences au moins. Enfin, le dispositif de sabordage de la sonde (22) commande l'immersion de celle-ci après quelques semaines en surface. Les mesures recueillies sont transmises au centre de traitement, qui les stocke, les traite et les diffuse aux utilisateurs potentiels; l'ensemble peut avantageusement être réalisé de manière totalement automatisée. Après éjection de la dernière sonde, la base et les sondes sont considérées comme perdues. Champ d'applications et avantages de l'invention. L'invention est susceptible de supplanter les systèmes décrits en (A), (B) et. (C) ci-dessus, dans le domaine des sondages océaniques et de constituer l'outil de base d'un système mondial unifié de sondages océaniques opérationnels. Elle trouve également son application dans le suivi des mouvements des masses d'eau côtières et lacustres, ainsi que dans la surveillance du développement du plancton et de certaines substances chimiques ou minérales. On peut citer, de manière non exhaustive, les avantages suivants du procédé et du dispositif selon 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 une surveillance opérationnelle nécessitant de nombreuses saisies répétitives de mesures réparties sur plusieurs sites et une longue période de temps, (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, et de "phaser" des observations par rapport à des phénomènes périodiques comme la marée, (3) grande répétitivité des conditions de mesure, facteur de grande qualité des résultats, (4) haute protection des capteurs permettant d'éliminer toute cause de dégradation due à l'environnement marin, (5) 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 de collecte et de traitement, (6) 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; s'adapte particulièrement bien à une gestion efficace et peu coûteuse du traitement des données et à la diffusion à des utilisateurs aux besoins variés des produits élaborés. Modes recommandés pour la réalisation de l'invention. Aucun point dans la réalisation de l'invention ne fait appel à des technologies nouvelles ou "révolutionnaires"; elle repose au contraire sur la combinaison de solutions techniques déjà expérimentées et connues. REVENDICATIONS 1- Procédé pour réaliser des profils verticaux de la mesure d'au moins une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine ou lacustre, à l'aide d'une sonde équipée d'un capteur de mesure de ladite grandeur et mobile au sein de la masse d'eau, caractérisé en ce.que: - on coule ladite sonde sur le fond de la mer ou du lac par lestage (cf. Fig.4, a,b,c,d), - on commande la remontée de la sonde et l'activation du capteur pour l'enregistrement de la mesure de ladite grandeur au long de la colonne d'eau traversée par la sonde jusqu'à la surface de la masse d'eau (cf. Fig.4, e,f) et - on commande une transmission des mesures relevées vers un centre d'exploitation de ces mesures (cf.Fig.4, g,h) 2- Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on coule une pluralité de sondes (4) sur le fond marin ou lacustre, et en ce qu'on commande séquentiellement la remontée de chacune des sondes. 3- Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'on coule plusieurs groupes de sondes (4) en des sites prédéterminés du fond marin ou lacustre, et en ce qu'on commande la remontée des sondes des différents groupes suivant des séquences prédéterminées. 4- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une sonde (4) munie d'un capteur de mesure de la grandeur à relever (14), de moyens de stockage et de transmission des mesures réalisées (15, 16, 17, 18, 19) et de moyens pour lui donner une flottabilité positive (21), et - une base (1) équipée de moyens pour retenir temporairement ladite sonde (4) et libérer celle-ci à un instant prédéterminé (cf. Fig. 2 et 3). 5- Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite sonde (4) est conformée de manière que, lorsqu'elle est retenue par la base (1), le capteur (14) est inséré dans un réceptacle protecteur (8) formé dans cette base. 6- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que plusieurs sondes (4) sont montées sur la base (1). 7- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la base (1) comprend des moyens de programmation (10) et de commande du largage des sondes (cf. Fig. 2 et 3) et une source d'énergie électrique (11) alimentant ces moyens. 8- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que chaque sonde (4) est équipée de moyens (22) pour couler cette sonde après la transmission des mesures relevées. 9- Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un élément de paroi de la sonde (13) détruit progressivement par électrolyse après le largage de la sonde. 10- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de connection à un parachute (6) pour assurer son largage à partir d'un aéronef, et de moyens (5) pour assurer la libération du parachute au début de l'immersion.