Conception d'un dispositif de caractérisation de la glace et de la neige à partir d'un radar à émission continue

Abstract

Dans le but d’augmenter la sécurité des activités hivernales sur les glaces de lacs et de rivières, ce projet de maîtrise consiste à mettre en oeuvre un radar de détection de l’épaisseur de glace et à élaborer des algorithmes qui sont capables de déterminer de façon automatique la solidité de la glace à partir d’écho radar. Un radar FMCW (Frequency Modulated Continuous-Wave) a été choisi pour ses caractéristiques tel que son prix, sa précision, sa fréquence centrale et ses dimensions. Dans ce mémoire, on présente les résultats des tests effectués sur le radar lui-même, ceux en laboratoire avec des blocs de glace, ainsi que les mesures sur le terrain effectuées durant l’hiver 2015 et 2016. Grâce aux algorithmes développés, il a été possible de mesurer automatiquement l’épaisseur de la glace de plusieurs lacs, à travers la neige, avec une erreur moyenne de 2 cm. Nous croyons aussi qu’il est possible de discerner l’intersection entre la glace blanche et la glace noire sur les profils radars. La glace blanche, résultant du gel de la neige humide sur les cours d’eau est moins solide que la glace noire et influence la solidité totale de la glace. Nous avons aussi élaboré une méthode pour évaluer l’équivalent en eau de la neige (SWE) à l’aide du même radar lors de quatre campagnes de terrain au Québec et dans le nord du Canada. Ces mesures sont basées sur l’indice de réfraction de la neige qui change selon sa densité. Si la position du radar et l'épaisseur de neige sont connues, nous pouvons déduire l’indice de réfraction et la densité moyenne de la neige et ainsi calculer le SWE. Les tests effectués durant l’hiver 2016 sur des bancs de neige entre 10 et 720 mm de SWE nous donnent une erreur moyenne de 25%, ce qui est plus élevé que le capteur à rayon Gamma CS725 de Campbell Scientific Canada, habituellement utilisé pour mesurer le SWE. Mais l’analyse des résultats montre que le manque de précision serait dû aux réflexions des couches de glace présentent dans la neige qui rendent difficile la tâche de trouver la position de référence. Nous croyons qu’il serait possible d’atteindre une précision d’environ 5% si le système radar était monté dans une installation fixe et de manière à ne pas être influencé par les couches de glace. L’avantage d’un tel système est qu’il pourrait mesurer des valeurs de SWE plus importantes que le CS725 (600 mm de SWE maximum), tout en consommant beaucoup moins d’énergie. Abstract: In order to increase the safety of winter activities on the ice of lake and river, this thesis project aims to implement an ice thickness detection radar and develop algorithms that are able to determine automatically the strength of the ice from radar echo. A radar FMCW (Frequency Modulated Continuous- Wave) was chosen for its characteristics such as its price, accuracy, central frequency and size. In this thesis, we present the results of tests on the radar itself, those in the laboratory with ice blocks, and field measurements conducted during the winters 2015 and 2016. With our own algorithm developed for this project, it was possible to automatically measure the thickness of ice of several lake and rivers, through the snow, with an average error of 2 cm. We also believe that it is possible to discern the intersection between white ice and black ice on radar profiles. White ice resulting from freezing of wet snow on the river is less solid than black ice and influences the overall strength of the ice. We also developed a method to assess the snow water equivalent (SWE) using the same radar during four field campaigns in Quebec and northern Canada. These measurements are based on the refractive index of the snow that is changed by it density. By measuring the radar position above the soil and the snow depth, we can deduce the refractive index and the average density of the snow, and then calculate the SWE. Tests conducted during the winter of 2016 in a range between 10 and 720 mm of SWE give us an average error of 25%, which is higher than the Gamma ray sensor CS725 made by Campbell Scientific Canada (in collaboration in this project), usually used to measure the SWE. But the analysis shows that lack of precision is due to the layers of ice reflections present in the snow that make it difficult to find the reference position. We believe it would be possible to achieve an accuracy of about 5% if the radar system was mounted in a fixed installation and so as not to be influenced by the ice layers. The advantage of such a system is that it could measure higher snow depth that the CS725 do (600 mm maximum SWE), while consuming significantly less power.