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Operating Principles

Sounding of the South East Crater of Etna through ash drifted downwind from La Bocca. The radar and PC, fed by the power generator through the cable, are stuck in the 4WD vehicle whereas the antenna and camcorder aim at the active vent.

Toutes les 100 µs (50 ou 200 µs si besoin), une impulsion électromagnétique de 60W de puissance de crête est transmis dans l’atmosphère, via l’antenne, qui bascule ensuite en mode réception. Environ 80% de l’énergie est transmise dans le lobe principal du faisceau d’antenne, orienté en direction des projections volcaniques. La puissance du signal rétrodiffusé dépend des caractéristiques techniques (connues) du radar, de l’inverse du carré de la distance de mesure (connue), des propriétés diélectriques des particules (connu) et surtout du nombre et de la taille des réflecteurs à l’intérieur du faisceau. La puissance du signal rétrodiffusé permet donc de quantifier la quantité de matériel injecté dans le faisceau, donnant ainsi accès à la magnitude d’une éruption. Les échos reçus, une fois amplifiés, filtrés et digitalisés, sont échantillonnés en séquences de temps identiques à la durée du pulse. La vitesse de propagation de l’onde électromagnétique étant constante (et égale à la vitesse de la lumière soit 3*108 m/s), les séquences échantillonnés successivement correspondent aux échos renvoyés par les réflecteurs situés dans des volumes (tronconiques) de plus en plus éloignés à l’intérieur du faisceau. La durée du pulse détermine donc la résolution radiale (i.e. en distance le long de l’axe du faisceau) des volumes d’échantillonnage, qu’on appelle les portes, c’est-à-dire la plus petite distance pour laquelle on peut séparer les signaux de deux volumes d’échantillonnage adjacents. La résolution radiale représente donc la distance parcourue par l’onde pendant la durée du pulse pour faire un aller-retour, soit la moitié de la longueur qu’elle parcourrait si elle ne voyageait que dans un sens. En 1 µs, une onde électromagnétique parcourt 300 m dans l’atmosphère. La durée du pulse étant réglable entre 0.4 et 1.5 µs sur VOLDORAD, la résolution radiale peut être choisie par l’opérateur entre 60 et 220 m, en fonction de la cible à étudier. Les résolutions en site et en azimut dépendent de l’ouverture du faisceau (9°) et la distance de mesure : environ 160 m à 1 km en distance radiale.

La capacité vélocimétrique du radar Doppler est basée sur l’effet Doppler-Fizeau, selon lequel la fréquence d’une onde acoustique ou électromagnétique se décale, entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Cet effet s’applique naturellement aux ondes radars renvoyées par des particules volcaniques en mouvement qui sont de bons réflecteurs. Le décalage en fréquence, ou fréquence Doppler (DF), entre la fréquence reçue et la fréquence émise est fonction de la composante de vitesse du réflecteur dans l’axe radar-réflecteur (vitesse radiale Vr). On peut donc déduire la vitesse radiale des particules émises lors des éruptions volcaniques, et avoir ainsi accès à l’intensité d’une éruption, à partir de la mesure de la fréquence Doppler par le radar : Vr = -λ´DF/2. Si la fréquence Doppler maximum mesurée par le radar dans un jet volcanique est de 1274 Hz, cela signifie que les vitesses radiales des pyroclastes atteignent 150 m/s et leur vitesse réelle est encore supérieure à cette valeur. VOLDORAD peut théoriquement mesurer des fréquences Doppler jusqu’à 10 KHz, c’est-à-dire des vitesses radiales jusqu’à 1177 m/s. Par convention, les composantes radiales de vitesse orientées en direction du radar sont négatives, et positives en direction opposée. Pour une visée oblique vers le haut d’un jet de lave vertical par exemple, les blocs balistiques ascendants auront essentiellement des vitesses radiales positives dans les portes à l’aplomb du cratère, tandis que les blocs retombants auront essentiellement des vitesses radiales négatives. Dans le cas purement théorique où des blocs balistiques suivraient une trajectoire normale à l’axe du faisceau tout au long de leur traversée de la porte, ils auraient une fréquence Doppler nulle et donc une vitesse radiale nulle.

Les puissances rétrodiffusées et les vitesses sont les deux paramètres directement mesurés par le radar et visualisés en temps réel sous forme de spectre Doppler pour chaque porte radar et à chaque pas de temps. Un spectre Doppler présente la puissance du signal (densité spectrale de puissance, en ordonnée) pour chaque gamme de vitesses Doppler (en abscisse). Des programmes de traitement extraient ensuite pour chaque pas de temps plusieurs paramètres tels que les vitesses maximums, les vitesses moyennes pondérées par la puissance, la puissance dans chaque porte et la puissance totale dans tout le faisceau. La valeur de chaque paramètre peut ensuite être représentée graphiquement sous forme de série temporelle pour chaque porte. Le pas de temps dépend des réglages choisis pour le radar mais est généralement inférieur à 0.1s dans les configurations habituelles. Cette fréquence élevée d’acquisition des spectres s’avère particulièrement utile pour l’étude détaillée des variations temporelles de phénomènes fluctuant rapidement, tels que les explosions volcaniques. L’utilisation des différents volumes de sondage du faisceau permet en outre de renseigner qualitativement sur l’orientation des émissions volcaniques et sur l’effet du vent.

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