Brevet FR2073399A1 — publié le 19711001

la présente invention concerne un procédé pour la mesure microscopique des vitesses dans des champs d'écoulement à l'aide d'une sonde laser-Doppler, d'après lequel à l'aide d'un détecteur de lumière on transforme en signaux électriques, 5 signaux d'hétérodyne, le décalage par effet Doppler d'un rayon laser incident provoqué par les particules diffusantes du champ d'écoulement, la fréquence de ces signaux électriques fournissant une mesure de la vitesse du champ d'écoulement. On utilise les sondes laser-Doppler pour l'étu-10 de microscopique des champs de vitesse, par exemple pour les mesures dans la couche limite, dans les canaux aérodynamiques, ou dans les écoulements de gaz ou de liquides. Elles se distinguent des appareils de mesure classiques, tels que le tuhe de Pitot ou dispositifs analogues, par le fait qu'elles assurent la mesure 15 sans contact, et par conséquent sans perturbation du champ de vitesse, et qu'elles permettent en outre la détermination de la répartition des vitesses dans des domaines microscopiques.. On exposera ci-après le principe de "base d'une sonde laser-Doppler : 20 On focalise sur le domaine à étudier du champ d'écoulement, le rayon émis par un laser à lumière continue. La lumière laser diffusée par les particules en mouvement du champ d'écoulement subit alors par effet Doppler un glissement de fréquence, qui est inversement proportionnel à la longueur d'onde 25 dans le vide de la lumière laser, et directement proportionnel à l'indice de réfraction optique du milieu soumis à l'écoulement, à la valeur de la vitesse et au cosinus de l'angle définissant la direction de cette vitesse des particules diffusantes» Pour la mesure de cette fréquence, on renvoie ensemble, à l'aide de 50 miroirs, le rayon non diffusé et un rayon diffusé sur un point d'un détecteur de lumière, par exemple sur la photocathode d'un photibmultiplicateur ou d'une photodiode, et l'on obtient ainsi un signal de battement, dont la fréquence obtenue par différence est plus faible (signal "hétérodyné") et se prête par conséquent 55 à un traitement par des moyens électroniques. Selon la vitesse de l'écoulement, la fréquence du signal d'hétérodyne se situe dans le domaine des kHz ou des MHZ. D'autres détails et des exemples de réalisation ont été décrits par exemple dans le numéro du IEEE Journal, "Quantum Electronics", 1966, pp. 260 à 266. 70 41733 2073399 le pouvoir de résolution d'une sonde Doppler pour la mesure des écoulements, c'est-à-dire le domaine le plus petit de l'espace où se fait l'écoulement, qui puisse être mesuré séparément, est déterminé essentiellement par les dimensions 5 du volume à l'intérieur duquel il est possible de focaliser le rayon laser0 Ce volume est défini par les lois de l'optique (par exemple Born-Wolf "Principles of Optics", Pergamon Press, ■s 3e édition, pp 439 à 441, ou bien E. Rolfe et al., "Laser Doppler Velocity Instrument", ÏTASA Contractor Report, NASA CR-1199, 2.13-10 1 à 2ol3-4), en fonction de la longueur d'onde de la lumière laser et de l'indice d'ouverture du dispositif optique de mesure, et il peut être de l'ordre de 10 mm . Toutes les particules entraînées dans l'écoulement, et qui parcourent ce volume (volume de mesure), rayonnent durant leur temps de parcours une im-15 pulsion Doppler dans le dispositif de mesure. Avec les dispositifs de mesure connus jusqu'à présent, on a considéré comme inévitable que la résolution spatiale ne puisse être poussée au-delà du volume de focalisation, défini ci-dessus comme volume de mesure. La seule possibilité 20 pour réduire le volume de mesure, considérait-on, consistait à réduire le volume de focalisation optique,, La présente invention, par contre, arrive à une réduction du volume de mesure effectif, et par conséquent à un accroissement important du pouvoir de résolution de la sonde de 25 mesure des écoulements, par des Doyens électroniques, du fait que, pour l'analyse des fréquences du signal hétérodyne, à l'aide d'une discrimination électronique des amplitudes, on ne mesure que la fréquence des signaux qui ont une valeur d'amplitude dé-terminée0 30 la présente invention est basée sur le fait qu'à l'intérieur du volume de focalisation, l'intensité de la lumière décroît rapidement quand on se déplace du centre vers l'extérieur. Dans le voisinage immédiat du centre du volume de focalisation, la répartition de l'intensité est une fonction uni-35 voaue de la distance,, De ce fait, les impulsions Doppler diffusées par les particules qui parcourent le volume ont des amplitudes plus ou moins fortes, selon eue la particule parcourt le centre ou la zone marginale du volume de mesure. Alors que jusqu'à présent, pour la mesure des fréquences du signal hétérodyne BAD OFUG'NAL COP^j 70 41733 2073399 on intégrait toutes les amplitudes et que l'on déterminait la valeur moyenne de la fréquence pour toutes les valeurs de l'amplitude, on ne mesure plus maintenant que la fréquence des signaux dont les amplitudes dépassent un certain seuil ajustable. 5 On obtient ainsi une réduction importante du volume de mesure, et ceci d'une manière ajustable. Il est visible qu'avec ce procédé la valeur minimale du volume de mesure , par conséquent, le pouvoir de résolution de la sonde laser-Doppler pour la mesure des écoulements, ]_q n'est plus limité que par des considérations purement électroniques, de sorte que l'on puisse encore mesurer la fréquence du signal ainsi discriminé. Selon une autre extension de l'invention, on ne mesure sélectivement que les fréquences des signaux dont les am-15 plitudes sont comprises entre deux niveaux déterminés ajustables. On n'explore, ainsi, que les domaines du volume de focalisation qui correspondent au réglage donné de l'amplitude. On obtient ainsi, également, une réduction du volume de mesure. En outre, si l'on considère la fréquence en fonction de la répartition 20 âes amplitudes, on peut encore étudier, à l'intérieur du volume de focalisation, la répartition spatiale de champ de vitesse, et ceci sans modifier le réglage optique» En choisissant volontairement un volume de focalisation de grandes dimensions, on aurait ainsi une possibilité pour explorer, de cette manière, des 25 éléments de grandes dimensions de 1'écoulemento l'invention sera expliquée ci-après en détail, à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sur les figures, qui montrent : la Figo 1 , un dispositif de mesure possible, 30 sous une forme schématique ; la Fig. 2 , la représentation schématique, à gauche de la répartition de l'intensité de la lumière dans le volume de focalisation, et à droite un exemple de signal hétérodyne qu'il s'agit de mesurer avec la dispositif de la figure 1« 35 Sur la figure 1, on a représenté un milieu 1 s'écoulant dans la direction v, et que l'on illumine avec la lumière d'un laser à émission continue 2. Un diaphragme 3 circonà— crit le rayon laser, et une lentille 4 le focalise dans un volume F, à l'intérieur du fluide. le volume F s'étend perpendicuàai-40 rement au rayon laser, dans la direction r® bad original COPY 70 41733 * 2073399 Un rayon partiel non diffusé sort du volume F en direction de la lentille 5, tandis qu'un rayon partiel diffusé sort en direction de la lentille 6. les lentilles 5 et 6 focalisent les rayons partiels sur la partie détectrice d'une 5 photodiode PD, après que ces rayons partiels soient passés par le diviseur 19, ou qu'ils ont été réfléchis par ce diviseur et par les miroirs 8 et 10. Il est prévu en outre un diaphragme 7, pour circonscrire le rayon diffusée Jusque là, le dispositif correspond entièrement 10 au dispositif de mesure selon l'IEEE, la sortie du dispositif de mesure correspond, aussi, au principe du dispositif connu : On applique les signaux hétérodynes- qui apparaissent sur la photodiode PD, à l'entrée d'un dispositif de mesure de fréquence, avec indication de l'amplitude, FMG-, par 15 exemple à un analyseur de spectre de fréquences du commerce, ou à un appareil selon la figure 11 de l'IEEE suivant citation ci-dessus, et on y mesure leurs fréquences, la différence, par rapport aux dispositifs connus, réside dans le fait qu'avant d'arriver au dispositif de me-20 sure des fréquences FMG, les signaux hétérodynes passent ici par un analyseur des amplitudes des impulsions, respectivement par un discriminateur d'amplitudes AD. De tels discriminateurs d'amplitudes sont connus, et ne seront pas décrits davantage. Entre le photodétecteur PD et le discriminateur d'amplitudes AD, on a 25 encore disposé un amplificateur Y et un filtre passe "bande BP. Si, comme discriminateur d'amplitudes, on choisit un dispositif dit discriminateur intégral, on ne mesure que les signaux dont les amplitudes sont supérieures à un niveau P ajustable sur le discriminateur. JO On obtient alors les conditions représentées sur la figure 2. Sur la figure 2, à gauche, on a représenté sché-matiquement l'inténsité de la lumière dans le plan foéal du volume de focalisation P. On peut voir que l'intensité décroît for-35 tement lorsque la distance r à partir du centre du volume augmente. les amplitudes des signaux hétérodynes qui apparaissent sur la photodiode PD (figure 1) sont alors d'autant plus grandes, comme on peut le voir, que la distance r de la particule diffusante au centre du volume de focalisation est plus petite. Gomme bad original COPY 70 41733 5 2073399 le parcours des particules diffusantes à travers le volume de focalisation est de nature statistique, on obtient aussi en fonction du temps t des répartitions statistiques des amplitudes, comme on l'a montré dans la partie droite de la figure 2. 5 II ressort aussi de la figure 2 à droite, qui a été dessinée d'après un oscillogramme effectivement mesuré, que les fréquences pour des signaux de faible amplitude ne sont pas les mêmes que celles par des signaux de grande amplitudeo Ceci provient du fait que les particules diffusantes correspondant à des for-10 tes valeurs de r présentent, au moment de la mesure, une vitesse autre que dans la partie centrale,. Si, maintenant, on ajuste le niveau de discrimination de l'appareil AD sur ?£» seuls parviennent à l'appareil PMG, pour la mesure de la fréquence, les signaux engendrés par 15 les particules qui sont passés approximativement par le domaine central qui s'étend sur un rayon Rg • Ce domaine central représente alors le volume de mesure effectif. Si, par contre, on a-juste le niveau à la valeur P-^, on englobe aussi, dans la mesure, les signaux des particules qui ont traversé le volume de focali-20 sation dans le domaine R^ . Dans tous les cas cependant, grâce à la discrimination électronique des amplitudes, le volume de mesure est rendu plus petit que le volume de focalisation P. On peut aussi réaliser l'appareil AD sous la forme d'un disc±iminateur à un canal ou à plusieurs canaux. On 25 peut alors sélectionner les signaux d'amplitude déterminée, et saisir ainsi différents domaines du volume de focalisation, en mesurant la fréquence des signaux qui correspondent aux différents canauxo BAD ORIGINAL COPY 70 41733 2073399 REVENDICATIONS lo Procédé pour la mesure microscopique des vitesses, à l'intérieur de champs d'écoulement, £ l'aide d'une sonde laser-Doppler, d'après lequel ,à l'aide d'çin détecteur de 5 lumière, on convertit en signaux électriques, signaux d'hétérodynes, le décalage par effet Doppler d'un faisceau incident de lumière laser renvoyé par les particules diffusantes du champ d'écoulement ; la fréquence de ces signaux fournissant une mesure de la vitesse du champ d'écoulement, caractérisé en ce 10 que, lors de l'analyse des fréquences des signaux hétérodynes, grâce à une discrimination d'amplitude électronique, on mesure seulement la fréquence des signaux dont l'amplitude est supérieure à un certain niveau ajustable» 2<> Procédé selon la revendication 1 caractéri-15 sé en ce que seule est mesurée la fréquence des signaux dont les amplitudes sont comprises entre deux niveaux déterminés ajustables©