La Détection acoustique distribuée (DAS), un système d'observation pluridisciplinaire des océans.

Distributed acoustic sensing (DAS), a multidisciplinary system for ocean monitoring.

• Auteur / Autrice : Amine Mohammedi
• Direction : Anthony Sladen, Frédéric Bouchette
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat sciences de la planete et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)

Mots clés

Mots clés libres

Détection acoustique distribuée

Océan

Ondes gravitaires en surface

Température

Distributed Acoustic Sensing

Ocean

Surface gravity waves

Temperature

Résumé

Grâce aux récents progrès de la technologie photonique, la mesure acoustique distribuée (DAS, acronyme de Distributed Acoustic Sensing) a atteint un stade de développement où elle peut transformer les câbles sous-marins de communication en des réseaux longs de plusieurs dizaines de kilomètres, avec des points de mesure des signaux acoustiques (kHz) et de température (mK) placés à intervalles de quelques mètres. Cette avancée technologique ouvre la voie au développement d'un système d'observation marin pluridisciplinaire, couvrant un spectre allant des zones côtières jusqu'aux abysses, avec une capacité de suivi temporel allant de la milliseconde aux décennies. Un système d'acquisition DAS présente des avantages notables : il est relativement peu coûteux, simple à opérer (il suffit de connecter la fibre optique à l'unité d'acquisition depuis la Terre), et il est parfaitement adapté à la collecte de données opérationnelles en raison de la vitesse de transmission de la lumière. De plus, étant donné que la fibre optique est un capteur passif existant, l'acquisition n'a aucun impact sur l'environnement. Cette technologie a un potentiel révolutionnaire considérable, compte tenu des millions de kilomètres de câbles déjà déployés dans les océans à travers le monde (voir www.submarinecablemap.com) et en France (voir https://data.shom.fr/datacontext/en/1681472222301-257342). Elle pourrait rapidement transformer notre système d'observation global des océans. Certaines études récentes ont déjà mis en évidence le fort potentiel du DAS pour surveiller divers phénomènes, tels que l'évolution des vagues de surface, le suivi des navires, la compréhension des masses d'eau en profondeur, ainsi que le suivi des tempêtes lointaines et des mammifères marins. Cependant, nous proposons d'aller au-delà de ces observations préliminaires en développant des méthodes de calibration et en créant un cadre méthodologique permettant de transformer les données DAS en mesures pertinentes pour l'observation des océans. Les mesures considérées dans le cadre de cette thèse sont celles qui décrivent plus précisément le champ de vagues en zone côtière proche, ainsi que la variabilité de la température dans les environnements côtiers et profonds. Motivées par des résultats préliminaires prometteurs, deux campagnes de calibration sont prévues à partir de mars 2023 le long du câble LPSM de Toulon, depuis la plage jusqu'à une profondeur de 700 mètres. Ces campagnes sont organisées grâce à une collaboration entre des membres de l'INSU, de l'IFREMER, du SHOM, et bénéficient du soutien de la Mission pour les Initiatives Transverses et Interdisciplinaires (MITI) du CNRS. Bien que le potentiel du DAS pour l'étude des processus en océanographie physique soit confirmé, de nombreuses opportunités restent à explorer. Dans le cadre de cette thèse, notre attention se portera principalement sur deux types de signaux prédominants dans les données DAS, qui peuvent être rapidement exploités de manière efficace. À ''haute fréquence'' (>0.1 Hz), nous examinerons les ondes de surface côtières, tandis qu'à basse fréquence (<0.01 Hz), nous nous pencherons sur l'évolution de la température en profondeur. En abordant ces deux aspects simultanément, nous pourrons étudier de manière novatrice les interactions entre les vagues et la circulation océanique, notamment au travers de la couche turbulente de fond (Trowbridge and Lentz 2018).

Thanks to recent advances in photonic technology, Distributed Acoustic Sensing (DAS) has reached a stage of development where it can transform submarine communications cables into networks several tens of kilometers long, with measurement points for acoustic signals (kHz) and temperature (mK) placed at intervals of a few meters. This technological advance paves the way for the development of a multidisciplinary marine observation system, covering a spectrum from coastal areas to the abyss, with a temporal monitoring capacity ranging from milliseconds to decades. A DAS acquisition system has notable advantages: it is relatively inexpensive, simple to operate (just connect the optical fiber to the acquisition unit from Earth), and it is perfectly suited to data collection operational due to the speed of transmission of light. Additionally, since optical fiber is an existing passive sensor, the acquisition has no impact on the environment. This technology has considerable revolutionary potential, given the millions of kilometers of cables already deployed in the oceans around the world (see www.submarinecablemap.com) and in France (see https://data.shom.fr/datacontext/ en/1681472222301-257342). It could quickly transform our global ocean observation system. Some recent studies have already highlighted the strong potential of DAS for monitoring various phenomena, such as the evolution of surface waves, tracking ships, understanding water masses at depth, as well as tracking distant storms. and marine mammals. However, we propose to go beyond these preliminary observations by developing calibration methods and creating a methodological framework allowing the transformation of DAS data into relevant measurements for ocean observation. The measurements considered in this thesis are those which more precisely describe the wave field in the near coastal zone, as well as the temperature variability in coastal and deep environments. Motivated by promising preliminary results, two calibration campaigns are planned from March 2023 along the Toulon LPSM cable, from the beach to a depth of 700 meters. These campaigns are organized thanks to a collaboration between members of INSU, IFREMER, SHOM, and benefit from the support of the Mission for Transverse and Interdisciplinary Initiatives (MITI) of the CNRS. Although the potential of DAS for the study of processes in physical oceanography is confirmed, many opportunities remain to be explored. In this thesis, our attention will mainly focus on two types of predominant signals in DAS data, which can be quickly and efficiently exploited. At ''high frequency'' (>0.1 Hz), we will look at coastal surface waves, while at low frequency (<0.01 Hz), we will look at temperature evolution at depth. By addressing these two aspects simultaneously, we will be able to study in an innovative way the interactions between waves and ocean circulation, particularly through the turbulent bottom layer (Trowbridge and Lentz 2018).