Brevet FR2060261A1 — publié le 19710618

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de compensation de l'influence des champs magnétiques parasites d'un hélicoptère ' transportant un magnétomètre de haute précision afin d'éliminer les perturbations apportées à la mesure du champ magnétique terrestre par les 5 champs magnétiques parasites dûs à l'hélicoptère (champs permanents'et induits par les masses ferro-magnétiques notamment)„ Il existe déjà divers procédés et dispositifs de compensation des champs magnétiques parasites des aéronefs porteurs de magnétomètres. On peut notamment mentionner ceux qui impliquent la mesure de la différence 10 de champ magnétique en deux points où l'intensité du champ magnétique extérieur est sensiblement la même, alors que les intensités des champs magnétiques parasites dûs à l'avion sont différentes et engendrent une grandeur de commande proportionnelle à cette différence et donc à l'influence des champs magnétiques parasites» Parmi ces procédés» celui décrit 15 dans le brevet français n° 1 485 557 demandé le 4 février 1966 par l'organisme demandeur, utilise la grandeur de commande, constituée par un courant électrique, pour produire un champ magnétique de compensation dirigé en sens inverse du champ magnétique parasite et annuler ladite différence. Suivant un autre procédé appartenant à la même catégorie et qui 20 a été décrit dans la demande de brevet français n° FV 170 279 du 17 octobre 1968 au nom de l'organisme demandeur, on introduit sur la sortie de l'appareil de mesure du champ magnétique en l'un des points, un facteur de correction à l'aide d'un circuit électronique,. Cette seconde solution présente sur la première l'avantage d'un moindre bruit de fond, dû à. 25 l'absence des bobines de compensation parcourues en permanence par un courant électrique. Dans le cas de l'application des procédés ci-dessus définis à un avion, on mesure d'une part la différence de champ entre deux points alignés le long de l'axe de roulis de l'avion et matérialisés par deux 30 têtes magnétométriques placées dans un prolongement de queue (tail-boom en terminologie anglo-saxonne) et d'autre part la valeur absolue du champ en l'un des points, Cette disposition est difficilement transposable à bord d'un hélicoptère monorotor étant donné la présence du rotor de queue. Il est également peu apprécié des pilotes de placer un tel prolongement 35 en saillie devant l'habitacle car il réduit la visibilité. Aussi jusqu'à présent, les prospections magnétométriques à l'aide d'un hélicoptère, étaient effectuées en plaçant le magnétomètre dans un oiseau remorqué par l'intermédiaire d'un câble amagnétique de longueur comprise entre 50 et 100 mètres. Cette solution présente de nombreux inconvénients s en partiB 3194-3 69 32525 2 2060261 culier elle exige la présence d'un treuil à bord de l'hélicoptère, et implique des manoeuvres complexes lors du déroulement du câble après décollage et de son enroulement avant atterrissage, manoeuvres qui ne sont pas sans danger, 5 Par ailleurs, une étude magnétique faite sur les hélicoptères à un seul rotor principal a révélé que c'est l'arbre de ce rotor qui constitue l'anomalie magnétique prépondérante, à tel point qu'à distance de quelques mètres de l'hélicoptère, les masses magnétiques de celui-ci peuvent être assimilées de façon relativement exacte à un doublet coaxial à l'arbre du 10 rotor principalo On peut probablement attribuer cette propriété au fait que l'arbre, en acier très dur, constitue un véritable aimant dont l'action masque celle du reste de l'hélicoptère du point de vue magnétique» La présente invention vise à fournir un procédé pour compenser les champs magnétiques parasites d'un hélicoptère suffisamment pour que l'on 15 puisse monter sur celui-ci un magnétomètre de haute précision, obtenir par son intermédiaire des résultats non perturbés par des champs parasites (champs permanents et induits par les masses ferro-magnétiques de l'hélicoptère) , L'invention propose dans ce but un procédé suivant lequel on 20 détermine la différence de champ magnétique total en deux points liés à l'hélicoptère, dont l'écartement est faible par rapport à leur distance au barycentre des masses magnétiques de l'hélicoptère, distance elle-même importante par rapport aux déplacements de ce barycentre lors des manoeuvres et des modifications de chargement de l'hélicoptère, on engendre une 25 grandeur de commande proportionnelle à ladite différence et on compense la composante parasite due à l'hélicoptère du champ magnétique mesuré en l'un desdits points en utilisant ladite grandeur de commande, caractérisé notamment en ce que lesdits points sont alignés sur un axe confondu avec l'arbre du rotor„ Pratiquement, le procédé ci-dessus conduira à adopter 30 un dispositif comportant deux têtes magnétométriques disposées dans un tube en matériau non magnétique fixé sous l'hélicoptère et dans le prolongement de l'axe de l'arbre du rotor, c'est-à-dire suivant une direction sensiblement verticale^ Il faut remarquer que" l'invention est applicable aux magnétomètres 35 à résonance magnétique nucléaire, soit à compensation à l'aide de bobines, telles que décrites dans le brevet français 1 485 557 déjà mentionné, soit à compensation "électronique" du type décrit dans la demande de brevet n° FV 170 279» ainsi qu'à tout autre type de magnétomètre0 On peut également, B 3194-3 69 32525 3 2060261 sur les hélicoptères munis d'un calculateur numérique de bord» numériser les signaux de sortie représentatifs l'un du champ magnétique total en l'un des points» l'autre de la différence entre les champs magnétiques aux deux points» à l'aide de convertisseurs analogiques-numériques (tels que 5 fréquencemètre numérique dans le cas où la mesure de champ se ramène à une mesure de fréquence ou voltmètre numérique à nombre suffisant de décades) et fournir ces données au calculateur fonctionnant en temps réel» Cette solution présente l'avantage supplémentaire de pouvoir, dans le cas de magttétomètres soumis à d'autres effets perturbateurs (tels que l'effet 10 gyromagnétique qui se traduit par line erreur sur les mesures effectuées à l'aide de magnétomètres à résonance magnétique nucléaire) appliquer le facteur de correction correspondant en utilisant également des signaux fournis par les gyromètres qui font partie de la centrale de navigation de l'hélicoptère» 15 De façon générale» le procédé et le dispositif ci-dessus définis sont utilisables avec tout magnétomètre de haute précision, tel que notamment les magnétomètres à pompage optique ou les magnétomètres à résonance magnétique nucléaire» tel que celui décrit dans le brevet français n° 1 485 557 déjà cité» Ce procédé et ce dispositif sont applicables, 20 que le magnétomètre soit destiné à fournir une cartographie magnétique du terrain survolé (donc à donner une indication exacte de la valeur absolue du champ magnétique) ou soit destiné.à la détection de perturbations du champ magnétique terrestre à Dans ce dernier cas» où le magnétomètre est associé à des moyens qui éliminent la composante continue ou à variation 25 très lente du champ» l'invention présente même un intérêt particulierl En effet» on recherche, dans ce second cas» une grande sensibilité de détection plutôt qu'une mesure exacte des variations de champ dans l'espace : on aura alors intérêt à donner aux points entre lesquels on mesure la différence de champ un écartement tel qu'en cas d'anomalies magnétiques 30 notables dans les zones survolées» on ne puisse plus considérer que l'intensité du champ magnétique extérieur est exactement la même pour les deux points. En effet, l'anomalie magnétique provenant du sol fournira entre deux points alignés verticalement sous l'hélicoptère une différence de 35 module du chanç total inversée par rapport à celle due à l'hélicoptère. Cette différence inversée donnera naissance à un signal qui jouera pour donner au résultat de la mesure une valeur supérieure à la valeur réelle de la perturbation et^en d'autres termes, amplifiera les variations et B 3194-3 69 32525 4 2060261 facilitera leur détection. En effet, le dispositif de mesure de la différence de champ total entre les deux points est incapable de déterminer la cause de cette différence et applique le facteur de correction à la mesure, que la différence soit" due à l'hélicoptère porteur ou à des 5 perturbations extérieures. Cette disposition présente des avantages annexes : par exemple la variation du gradient vertical due au passage au-dessus d'une anomalie magnétique, et donc l'amplification^sera maximale lorsque les lignes de force du champ terrestre se rapprochent de l'horizontale, c'est-à-dire 10 dans des conditions pour lesquelles la variation de la perturbation due à une anomalie est la plus lente. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier, donné à titre d'exemple non limitatif, utilisant un magnétomètre à résonance magnétique nucléaire 15 et une compensation électronique du type décrit dans la demande de brevet .français n° PV 170 279» La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels s - la fig0 1 montre très schématiquement un hélicoptère muni d'un 20 tube vertical contenant les deux sondes placées aux points entre lesquels on mesure la différence de champ ; - la fig. 2 est tin schéma de principe du circuit de détection et de compensation. La fig. 1 montre très schématiquement, vu de profil, un hélicop-25 tère comportant un habitacle 10, un fuselage dont toute la partie arrière est constituée par une simple poutre en treillis métallique 12, une turbine 14 d'entraînement d'un rotor principal 16 porté par un arbre 181 L'équilibrage du couple gyroscopique du rotor principal 16 est assuré par une hélice de queue 20. Des mesures faites sur des hélicoptères de ce type 30 ont montré qu'à partir d'une distance de quelques mètres l'action des masses magnétiques de l'hélicoptère était assimilable, du moins au-dessous de celui-ci, à l'action d'un doublet 22 de moment magnétique î? de direction confondue avec celle de l'axe de l'arbre 18» Suivant l'invention l'hélicoptère est muni d'un ensemble magnéto-35 métrique comprenant deux sondes placées l'une à une distance x - S x du doublet et qui sera par la suite désignée par le terme de sonde de compensation T2 et une sonde située à une distance x qui sera désignée par le terme de sonde de détection T . 1 B 3194-3 69 32525 5 2060261 Suivant ion premier aspect de l'invention, on dispose les deux sondes Tg et suivant une ligne qui prolonge l'axe 18 de l'arbre du rotor, c'est-à-dire dans le prolongement du doublet 22» En d'autres termes, les deux sondes se trouvent l'une et l'autre placées dans la première position 5 principale de Gauss. De plus on donne à x une valeur nettement supérieure à la longueur du doublet avec lequel l'hélicoptère est assimilable et on donne à Sx une valeur nettement inférieure à x« Dans ces conditions les valeurs du champ magnétique aux points occupés par les sondes et T,, peuvent être considérées comme comportant deux termes, l'un correspondant 10 au champ magnétique terrestre, l'autre aux perturbations dues à l'hélicoptère, c'est-à-dire au doublet 22 0 Avec les notations utilisées ci-dessus, les champs perturbateurs Aet Ah2 qui s'exercent sur les têtes et Tg sont respectivement : ÛH2 ="2^" (x x) 3 15 aH » -si T? 1 2Tr x3 La différence A- AHg pourra s'écrire, si l'on tient compte que Sx est faible devant x : 4Hi -iH2 = - w ' ^ ou'H, -4H2 - .'H, (1) Aho - Ah 20 etA H. = — . y 1 x 1 3° x La différence Ah2 - Ah^ entre les champs magnétiques parasites aux points occupés par les sondes T2 et sera égale à la différence des champs magnétiques mesurés par les sondes et dans la mesure où. les deux sondes sont suffisamment rapprochées pour que le champ magnétique 25 terrestre ait la même valeur aux deux points» Dans cette hypothèse on peut déduire de - Ah^ une grandeur de commande proportionnelle à la perturbation Ah^ apportée par l'hélicoptère au niveau de la sonde et l'utiliser pour réaliser la compensation de la perturbation. Pratiquement, les sondes et seront disposées dans un tube amagnétique 24 disposé sous 1'hélicoptère0 On peut notamment utiliser un tube en plastique armé en fibre de verre0 Ce tube doit évidemment être escamoté avant 1'atterrissage0 Dans ce but on pourra le rendre basculant autour d'une bride 26 portée par le fond de l'habitacle. Le tube peut i alors être placé en service dans le prolongement direct de l'arbre de rotor. B 3194-3 69 32525 6 2060261 On pourra également utiliser un tube têlescopique mais dans ce cas il ne sera pas possible de le disposer exactement suivant l'axe : on placera alors le tronçon supérieur fixe, dans lequel rentrent les tronçons déployables, dans une position décalée par rapport à l'arbre du rotor et 5 on lui donnera une position et une orientation telles que la partie inférieure contenant les sondes soit sensiblement au droit de l'arbre : à titre indicatif l'axe d'un tel tube est indiqué en traits mixtes sur la £ig. 1. On pourra peur exemple sur un hélicoptère monorotor de la taille 10 d'une "Alouette II" utiliser trois tronçons télescopiques de 2,50 m qui offrent une saillie de l'ordre de 7,50 m au-dessous du plancher de l'habitacle et adopter entre les deux sondes un écartement de"l'ordre de 1 ml Plus généralement, on adoptera une distance x comprise entre 7 et 10 m et une distance Sx comprise entre 0,5 et 1 mètre• 15 Comme indiqué plus haut;, la compensation à partir de la grandeur de commande déterminée par mesure de Ah^ - Ah^ peut être effectuée par divers procédés1 A titre d'exemple la figé 2 indique le schéma de principe d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé décrit dans la demande n° PV 170 279, et illustré en figé 5 de cette demandeé 20 La sonde constitue avec un amplificateur de boucle 30 et des organes annexes non représentés un oscillateur à couplage de spins du type décrit dans le brevet français 1 352 587 demandé le 28 décembre 1962 par l'organisme demandeur et fournit sur sa sortie 32 un signal alternatif dont la fréquence est directement proportionnelle à l'intensité du 25 champ magnétique total au point occupé par la sonde de détection i Ce signal amplifié dans l'amplificateur de boucle 30 est appliqué à un fréquencemètre 34 qui fournit sur sa sortie une tension ; e^ = k^.H^. La sonde de compensation fonctionne au contraire en filtre nucléaire. Son entrée 35 est reliée à la sortie de l'amplificateur 30 30 et on obtient sur sa sortie 36 un signal déphasé par rapport au signal d'entrée. Ce signal de sortie est appliqué à un amplificateur 38. Les tensions de sortie des amplificateurs 30- et 38 sont appliquées à l'entrée du phasemètre 40 qui fournit sur sa sortie une tension proportionnelle au déphasage entre sa tension d'entrée, du moins pour des déphasages 35 faiblesi La tension e^ de sortie du fréquencemètre est ainsi reliée aux champs H et H_ aux points occupés par les têtes T et T par la relation *2 * " v; De préférence on utilise un fréquencemètre tel que l'on ait kg = kj = k ; si de plus le champ terrestre a la même valeur HQ aux points B 3194-3 69 32525 7 2060261 occupés par les têtes et Tg on a = le fôHg -AH^é Dans ces conditions la compensation sera réalisée en amplifiant e dans un rapport égal à * dans un amplificateur 42 de gain ajustable e. 35 X ^ et en soustrayant la tension e^ ainsi obtenue de la tension e^, Cette 5 opération est réalisée dans un amplificateur différentiel 44 qui fournit sur sa sortie une tension e_ proportionnelle au champ Hg : e = Il va sans dire que la grandeur de commande pourrait également être utilisée pour régler automatiquement le courant passant dans des bobines de compensation placées sensiblement au barycentre des masses 10 magnétiques de l'avion (milieu du doublet 22), suivant le procédé décrit dans le brevet français n° 1 485 557, ou dans deux bobines placées autour de chacune des sondesé La description qui précède suppose que les valeurs du champ magnétique terrestre aux points occupés par les têtes et sont les 15 mêmes* En fait lorsque le magnétomètre n'est pas destiné à effectuer des mesures absolues du champ terrestre, mais a pour but de détecter les anomalies de ce champ, il est préférable d'éloigner les sondes de l'hélicoptère et d'adopter un écartement Sx tel que cette hypothèse ne soit pas complètement respectée, du moins lorsque ce champ est perturbé par 20 des anomalies magnétiques locales0 Les avantages de cette disposition apparaissent si l'on remarque que le dispositif de compensation est incapable de différencier l'origine du gradient entre les deux sondes et applique un coefficient de correction proportionnel à la différence de champ qui existeé Le champ terrestre non perturbé décroît, lorsque l'alti-25 tude augmente, d'environ 1 gamma pour 30 m aux latitudes moyennes et présente donc un gradient inversé par rapport à celui dû à l'hélicoptère, mais sensiblement constant. Au contraire, une anomalie magnétique localisée provoquera au cours de son survol une variation rapide dans le temps d'un gradient dirigé en sens inverse de celui dû à l'hélicoptère : Le dispositif 30 de compensation tendra non pas à la compenser, mais à l'amplifier. Cette amplification peut être chiffrée approximativement en adoptant une hypothèse simplificatrice, consistant à admettre que l'héli- —^ coptère, assimilable à un doublet vertical M et muni de deux têtes à distances x et x - Sx du doublet, passe à hauteur z au-dessus d'un objet 35 matérialisé également par un doublet vertical^?. Ce cas se rapproche de celui d'un sous-marin qui reste dans un hémisphère et s'aimante par influence dans le champ magnétique terrestre» L'effet à distance est en B 3194-3 69 32525 8 2060261 effet assimilable à celui d'un doublet horizontal et d'un doublet vertical situé à hauteur du kiosque» Le calcul simplifié effectué ci-dessus montre qu'on a approximativement ! 1 ■ M 5 4Hi - — • — AH - Ah, . M i-§ 1 2 2% x4 Dans ces formules, valables si Sx et Ah2 désignent les perturbations créées par l'hélicoptère au niveau des têtes. Pour compenser l'action de Ade l'hélicoptère au niveau de la 10 tête de détection, le système de compensation crée une grandeur de commande égale à Ag^ et déterminée à partir de Aet Ah^ supposés d'abord dûs uniquement à l'hélicoptère 4Hi * -ïfr- ; («s-4»,' L'ordre de grandeur de cette correction peut être estimé : à 7 m 15 sous un hélicoptère monorotor tel que 1'"Alouette II", la différence de module de champ entre deux têtes à % m de distance est comprise entre 0,3 ï et 0,4Vt ce qui se traduit par une correction Ade l'ordre de 0,7 y, Quant aux actions Sh^ et S H2 dues au doublet vertical ?!$ du sous-marin, elles sont reliées par les équations : 20 O fiv ' - SH2 = - . £H Sx S H, - S H„ = 1 2 2 % 4 z Le circuit de compensation va élaborer une grandeur de correction 36^ (5H,-5H2). « 3 SH^ 25 c'est-à-dire î (AH.)_ = — SH„ 10 z 1 et la mesure de variation fournie par l'amplificateur 44 correspond en fait non à xme valeur Sh„ mais à Sh + (A H )n c'est-à-dire à S H (1 + —). En 1 1 v 1 ' o 1 ■z' d'autres termes, on amplifie la variation -c'est-à-dire le signal- dans un X rapport qui est de l'ordre de 1 + - s pour x = 8 m et z = 150 m, on a un 30 coefficient d'amplification de l'ordre de 5 %, Ce cas sera celui d'un hélicoptère patrouillant à 70 m et passant au-dessus d'un sous-marin à une immersion de 90 m. B 3194-3 69 32525 9 2060261 Mais un hélicoptère peut adopter une altitude inférieure à celle mentionnée ci-dessus, qui n'est adoptée par les avions patrouilleurs que pour des raisons de sécurité ; si l'on suppose l'hélicoptère à 30 m et le sous-marin à 60 m on trouve une amplification de 1,10 % environ. 5 L'existence de ce coefficient est d'autant plus intéressante que le coefficient diminue si le doublet est plus profond, ce qui atténue l'incidence des anomalies du fond par rapport à celles qui sont recherchées cette propriété est particulièrement intéressante au-dessus du plateau continental dont il est difficile de différencier l'action de celles des 10 masses ferro-magnétiques en surface et en immersion. 69 32525 10 2060261 REVENDICATIONS 1° - Procédé de compensation des champs magnétiques parasites d'un hélicoptère transportant un magnétomètre de haute précision, suivant lequel on mesure la différence de champ magnétique total en deux points liés à l'hélicoptère, dont l'écartement est faible par rapport à leur 5 distance au barycentre des masses magnétiques de l'hélicoptère, distance elle-même importante par rapport aux déplacements de ce barycentre lors des manoeuvres et des modifications de chargement de l'hélicoptère, on engendre une grandeur de commande proportionnelle à ladite différence et on compense la composante parasite due à l'hélicoptère du champ magné-10 tique mesuré en l'un desdits points en utilisant ladite grandeur de commande, caractérisé rs&b&anevA en ce que lesdits points sont alignés sur un axe confondu avec l'arbre du rotor. 2° - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue la compensation à partir de la grandeur de commande en 15 l'utilisant pour régler automatiquement le courant passant dans des bobines de compensation placées sensiblement au barycentre des masses magnétiques de l'avion. 3° - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la compensation est réalisée en multipliant ladite grandeur de commande 20 par le rapport de proportionnalité entre le champ parasité au niveau d'une des têtes et ladite différence et en soustrayant le signal obtenu du signal représentant le champ total. 4° - Dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes de détection alignées 25 sensiblement dans le prolongement de l'arbre du rotor, et séparées par un intervalle 6x faible par rapport à leur distance x audit arbre de rotor. 5° - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites sondes sont disposées dans vui tube en matériau non magnétique fixé sous l'hélicoptère et dans le prolongement de l'axe de l'arbre du 30 rotor, c'est-à-dire suivant une direction sensiblement verticale. 6° _ Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit tube est monté basculant autour d'une bride portée par le fond de l'hélicoptère. 7° - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce 35 que ledit tube est télescopique et en ce que les tronçons inférieurs sont déployables à partir d'un tronçon supérieur fixe décalé par rapport à l'arbre du rotor et présentant une position et une orientation telles que B-3194-3 69 32525 n 2060261 la partie inférieure contenant les sondes soit sensiblement au droit de 1'arbre 1 8° - Dispositif suivant la revendication 4» 5 ou 6, destiné à la détection d'anomalies du champ magnétique terrestre, caractérisé en ce que les distances x et S x sont telles que les valeurs du champ magnétique terrestre perturbé par lesdites anomalies ne puissent être considérées comme égales au niveau des deux têtesé 9° - Dispositif suivant la revendication 4, 5i 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que x est compris entre 7 et 10 m et Sx est compris entre 0,5 et 1 mé B 3194-3