Brevet FR2170807A1 — publié le 19730921

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux systèmes connus sous le nom de courantomètres et destinés à mesurer la vitesse et la direction du déplacement d'ensemble des molécules d'un fluide, par exemple de courants marins et fluviaux. Elle concerne de manière plus particulière un courantomètre utilisant l'effet Döppler pour élaborer ces mesures. Dans la plupart des courantomètres connus à ce jour, le capteur de vitesse et de direction est immergé successivement à différentes profondeusà partir d'une installation de surface. Un cible assure la liaison électrique entre le capteur et l'installation de surface ainsi que la suspension mécanique de ce capteur à des hauteurs variables par rapport au sol immergé ; un tel positionnement n'est toutefois pas très aisé à réaliser. Les mesures ainsi effectuées étant ponctuelles et non simultanées, le temps nécessaire à ltobtention de la répartition des courants en fonction de l'immersion du capteur est relativement long. les conditions de mesure, notamment en ce qui concerne les vents et les marées, ont donc pu évoluer entre temps, ce qui constitue une source non négligeable d'imprécision. Par ailleurs, ces mesures ne concernent que les deux composantes du vecteur vitesse dans un plan lié au capteur, c'est-à-dire deux composantes horizontales, la composante verticale demeurant inconnue puisque non mesurée. C'est par exemple le cas des courantomètres mécaniques dans lesquels le capteur de vitesse et de direction consiste en une hélice entraSnée en rotation et orientée angulairement sous l'influence du courant de fluide dont on désire mesurer la vitesse et la direction. Un autre inconvénient de ce type de courantomètre est qu'il perturbe le milieu étant donné que les dimensions du capteur sont relativement importantes de manière à ce que l'effort exercé par le courant sur les pales de l'hélice soit suffisant pour provoquer la rotation de cette dernière. Par ailleurs, du fait de l'existence de couples de frottements non négligeables, le seuil de mesure de vitesse relatif à ltentrainement en rotation de l'hélice, ainsi que le seuil angulaire de mesure de direction relatif à la suspension du capteur sont relativement importants et n'autorisent donc pas l'utilisation de ce type de courantomètre pour de faibles valeurs à mesurer. Il existe par ailleurs de nombreux systèmes de mesure de vitesse du type hydro-acoustique qui utilisent l'effet Doppler et comprennent au moins un transducteur électro-acoustique d'émission d'ondes ultrasonores et de réception des échos relatifs aux ondes émises. fous ces systèmes servent à déterminer la vitesse et la distance parcourue par les véhicules sur lesquels ils sont montés. Dans le cas où le réflecteur des ondes d'émission est constitué par les sources d'hétérogénété de l'eau, notamment des micro organismes, des particules gazeuses ou de petits gradients de température, la grandeur mesurée est la vitesse relative par rapport à l'eau. En utilisant quatre faisceaux ultrasonores également inclinés par rapport à la verticale, ces systèmes permettent de mesurer les composantes tri-dimensionnelles de ladite vitesse relative. Mentionnons que lorsque seule la composante de la vitesse linéaire doit être mesurée, par exemple pour mesurer le débit d'un fluide, des méthodes électroniques mettant en oeuvre des ultrasons peuvent être utilisés. Dans un cas cette vitesse est calculée à partir de la différence du temps de propagation d'une impulsion entre deux transducteurs dans le sens du courant et dans le sens à contrecourant, les transducteurs étant séparés l'un de l'autre. Dans un autre cas, une oscillation continue est appliquée au transducteurémetteur et le signal reçu par le transducteur-récepteur associé subit un déphasage proportionnel au débit du fluide, la mesure de ce déphasage permet de déterminer la vitesse du débit. La présente invention se propose de pallier les inconvénients des courantomètres classiques en réalisant un système de mesure basé sur les systèmes connus de mesure de vitesse du type hydro acoustiques exploitant l'effet Döppler. Brièvement, le système comporte au moins un ensemble électroacoustique d'émission et de réception d'ondes ultrasonores maintenu en position fixe dans le courant de fluide dont on désire mesurer la vitesse; cet ensemble émet des ondes ultrasonores dans une direction inclinée par rapport à la verticale et reçoit suivant cette meme direction les échos relatifs à la rétrodiffusion des ondes incidentes par les hétérogénéltés du milieu fluide de propagation. Selon la présente invention un système de mesure de la vitesse et de la direction des courants marins et fluviaux basé sur l'ex- ploitation de l'effet Döppler, cette vitesse correspondant au déplacement d'ensemble des molécules d'une couche fluide hétérogène et étant définie par ses composantes perpendiculaires entre elles, est principalement caractérisé par un dispositif d'antennes acoustiques d'émission-réception étanche, immergé à une position déterminée stable et orienté vers ladite couche de sorte que les directions des composantes tridimensionnelles de la vitesse du courant de fluide sont assimilables aux directions se trouvant dans des plans orthogonaux respectifs définls par le rayonnement des fais ceaux d'ondes ultra-sonores inclinés d'un angle égal par rapport à un axe vertical, la mesure suivant ces directions des effets Döppler dds aux réverbérations de volume d'ondes par ladite couche représentant alors la mesure des composantes tridimensionnelles de la vitesse et de la direction du courant de cette couche. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront au cours de la description qui va suivre, donné à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent La figure t : un graphique illustrant l'assimilation des directions des composantes de vitesse avec les directions fournies par le rayonnement des faisceaux d'ondes ultra-sonores La figure 2 : un schéma synoptique d'un système de mesure conforme à l'invention. Il est connu que lorsqu'unie onde ultrasonore se propage dans un milieu fluide tel par exemple l'eau de mer, cette onde subit une réverbération suivant la direction opposée à celle de propagation par les hétérogénéités contenues dans ce milieu, notamment des micro-organismes, des particules gazeuses ou de petits gradients de température. En plaçant, suivant l'invention, un ensemble d'émission-réception d'ondes ultrasonores dans une position stable dans le milieu fluide, on peut ainsi mesurer l'effet Dôppler dd à cette réverbé ration. On obtient alors fD = f - fo = 2 fc V3ini en appelant c f0 la fréquence d'émission, f la fréquence de réception, fD la valeur de l'effet Döppler, c la célérité de propagation de l'onde ultrasonore dans le milieu et VsinA la projection sur la direction d'émission-réception de la vitesse du courant de fluide à la distance où se produit la réverbération. La mesure ainsi effectuée suppose une stratification de la répartition des vitesses V de fluide, tous les points situés à une même immersion ayant des vecteurs vitesse équipollents mais non nécessairement parallèles à un plan horizontal. Pour connattre les composantes tridimensionnelles de la vitesse V du courant de fluide, on utilise avantageusement et manière connue quatre faisceaux d'émission-réception également inclinés d'un angle a par rapport à un axe vertical et situés dans deux plans verticaux perpendiculaires. Sur la figure 1 ces faisceaux sont représentés par les directions 1, 2, 3 et 4 et les plans verticaux sont les plans zOx et zOy. En appelant v , vy et v z les composantes de la vitesse V d'une tranche de fluide parallèle au plan xOy, les projections de cette vitesse V sur les directions 1,2,3 et 4 d'émissionréception sont respectivement v1 = - Vx sin a - vz cos a V2 = 7x sin a - v z cos a V3 = - vy sin a - v z cos a V4 = v y sin a - v z cos a les effets Doppler mesurés ont donc pour expressions En calculant les valeurs on obtient une mesure des composantes tridimensionnelles de la vitesse t de la tranche de fluide considérée et de ce fait de la direction de cette vitesse. Si par ailleurs le plan xOy est horizontal et déposé sur la surface du sol immergé et si Ox est orienté suivent la direction du Nord géographique, on obtient alors la mesure de la vitesse du fluide à la cote z dans le trièdre géographique local. Il est entendu que trois faisceaux d'émission- réception suffiraient pour obtenir ce même résultat, en particulier trois faisceaux qui coSncideraient avec les arêtes d'un tétraèdre trirectangle dont la hauteur serait suivant l'axe vertical. Toutefois un tel système nécessiterait un ensemble de calcul plus complexe. la figure 2 montre un schéma synoptique d'un système de mesure conforme à l'invention. les circuits d'émission 5 de ce système se composent d'un oscillateur 6 dont la sortie est reliée à un modulateur 7 commandé par un signal d'horloge 8. la sortie du modulateur est reliée aux quatre transducteurs d'émission 10, 20, 30 et 40 par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 9. Un bommutateur de voies d'émission peut en outre castre inséré entre cet amplificateur 9 et les transducteurs d'émission 10,20, 30 et 40. les circuits de réception comportent quatre chaines semblables connectées en parallèle, dont une seule représentée, correspondant chacune à un transducteur différent Il 21, 31 ou 41 de l'antenne de réception et fournissant à leur sortie les valeurs numériques fD1 fD2 2 fD3 et fD4 utilisées dans un ensemble de calcul numérique 18 pour élaborer les mesures des composantes Vx w vy et Vz de la vitesse t. Chacune de ces channes de réception comporte un amplificateur d'entrée 13 recevant un signal 14 de commande automatique de gain ou de commande de gain en fonction du temps.Un modulateur 15 reçoit le signal fourni par cet amplificateur 17 ainsi que celui provenant de l'oscilla- teur 6 des circuits d'émission 5 . La sortie de ce modulateur 15 est reliée, par l'intermédiaire d'un élément de filtrage 16 qui est par exemple une boucle asservie en phase, à un convertisseur analogique-digital 17 fournissent la valeur numérique de l'effet DSppler sur la voie de réception considérée. l'émission est du type à impulsions dont la durée est modifiable sous l'action du signal d'horloge 8 agissant sur le modulateur 7, par exemple, tel que décrit dans la denrade do brevet fran çais nO 71.47 765 déposée par la Pemanderesse le 31 Décembre 1971. Cette durée est choisie en fonction du pouvoir séparateur en distance et de la portée désirés pour le système. En appelant S le niveau d'émission exprimé en dB, 2H(r) la perte de propagation du signal subissant une réverbération à la distance r , E le volume réverbérant, R l'index de réverbération volumique et X O la sensibilité de chaque voie de réception, le niveau de réception X a pour expression L = S - 2H(r) + 10 log E + R + 10 Le volume réverbérant E dépend de la distance r , du demiangle B d'ouverture à 3 dB du pinceau de réception, de la célérité c des ondes dans le milieu de propagation et de la durée T de l'impulsion émis Pour un index de réverbération volumique R de l'ordre de - 75 dB, en choisissant T = 1 ms et pour des portées inférieures ou égales à 100 m, le rapport signal à bruit d'un tel système est supérieur à 10 dB pour une portée de l'ordre de 200 m. En ce qui concerne la nature du dispositif d'antenne d'émis sion-réception, de préférence on choisit une antenne semblable à celle décrite dans le demande de brevet français nO 71.45 501 intitulée "Perfectionnements aux systèmes de navigation utilisant l'effet DUppler", déposée le 17 Décembre 1971 par la Demanderesse. Dans ce dispositif, l'émission et la réception se font de manière connue suivant quatre directions communes également inclinées par rapport à la verticale et situées dans deux plans perpendiculaires, les éléments de réception étant notamment placés sur la sphère focale d'une lentille acoustique sphérique. L'ensemble est disposé dans une cuve remplie d'un milieu fluide ue célérité de propagation d'ondes ultrasonores connue en fonction de la température, celle-ci étant réglable. Bes antennes sont orientées vers un fond transparent aux ondes. De dispositif d'antenne, lorsque la profondeur d'eau le permet, est directement déposé sur la surface du sol immergé, ses faisceaux d'éssion-réception étant orientés en direction de la surface et la liaison électrique avec l1émetteur-récepteur étant assurée par un culez Elle permet ainsi notamment de vérifier l'influence de la houle de surface en profondeur à différentes distan- ces de cette surface. Cette antenne peut aussi être solidaire d'une bouée dont la position est fixe par rapport au sol immergé, les faisceaux d'émission-réception étant alors dirigés vers le sol immergé. Dans les deux cas envisagés ci-dessus, l'utilisation d'une telle antenne permet d'obtenir une stabilisation des valeurs des composantes v et vy de la vitesse du fluide en fonction des variations de la célérité c des ondes ultrasonores dans ce fluide. REVENDICATIONS 1. Système de mesure de la vitesse et de la direction des courants marins et fluviaux basé sur l'exploitation de l'effet Dôppler, cette vitesse correspondant au déplacement d'ensemble des molécules d'une couche fluide hétérogène et étant définie par ses composantes perpendiculaires entre-elles, caractérisé par un dispositif d'antennes acoustiques d'émission-réception étanche, immergé à une position déterminée stable et orienté vers ladite couche de sorte que les directions des composantes tridimensionnelles de la vitesse du courant de fluide sont assimilables aux directions se trouvant (Fig.1) dans des plans orthogonaux respectifs définis par le rayonnement des faisceaux d'ondes ultra-sonores inclinés dlun angle égal par rapport à un axe vertical, la mesure suivant ces directions des effets Doppler dAs aux réverbérations de volume d'ondes par ladite couche représentant alors la mesure des composantes tridimensionnelles de la vitesse et de la direction du courant de cette couche. 2. Système selon la revendication 1, caractérité en ce que ledit dispositif d'antenne conporte quatre transducteurs électroacoustiques (10,20,30,40) et quatre hydrophones (11,21, 31,41) groupés pour réaliser l'émission et la réception suivant le rayonnement désiré des faisceaux et couplés par un cible de liaison, d'une part, à un ensemble d'émission (5) d'un train d'impulsions modulées en durée choisie en fonction du pouvoir séparateur en distance et de la portée désirés, et, d'autre part, à un ensemble de réception (12) comportant quatre voies de traitement (14,15,16,17: : '.) fournissant respectivement llune des quatre fréquences Dôppler (fDl'fD2'fD.j'fD4) à un calculateur 1(18) donnant les valeurs rechex- chées des composantes tridimensionnelles de la vitesse et de la direction du courant de fluide.