Brevet FR2428260A1 — publié le 19800104

L'invention concerne un procédé et un appareil pour la mesure à distance du vent tridimensionnel dans lequel le vecteur vent, fonction de l'altitude, est déterminé par la mesure de ses trois composantes au moyen d'un seul sondeur acoustique. On connaît déjà des installations de type analogue mais utilisant trois sondeurs acoustiq;=s qui mesurent chacun l'une des composantes du vecteur vent, et dont les données subissent un traitement numérique compliqué (analyse de Fourrier) avant d'être transformées en vitesse du vent. Or, dans le cadre des études en vue de la protection de l'air, il est nécessaire de disposer des mesures du profil vertical du vent tridimensionel au moyen d'un appareil dont le coût ne soit pas prohibitif. Le fait de pouvoir mesurer à distance le profil vertical du vecteur vent au moyen d'un seul sondeur est un grande amélioration, surtout au point de vue du taux de disponibil té des mesures, par rapport au ballon captif et à d'autres dispositifs qui sont actuellement utilisés. L'appareil pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel, selon l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'utiliser le même sondeur acouz tique pour émettre successivement une onde sonore dans au moins trois directions différentes, de capter successivement l'onde sonc diffusée par la turbulence thermique entrainée par le vent à diverses altitudes, de la transformer en signaux électriques, et enfin qu'il comprend des moyens de transformer ces signaux électriques en vitesse du vent par une technique de comptage d'impulsi et de moyennage. Les dessins annexés représentent les principes de fonctionnement de l'appareil, et, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention et notamment un exemple de mé-thode possible de transformation des signaux électriques. La figure 1 montre le principe du sondeur acoustique. La figure 2 définit l'angle de diffusion. La figure 3 montre le graphique de l'intensité de diffusion I fonction de l'angle de diffusion e pour la turbulence mécanique du vent. La figure 4 montre le graphique de l'intensité de diffusion I fonction de l'angle de diffusion e pour la turbulence thermique. La figure 5 illustre le principe de la mesure du vent par l'effet Doppler. La figure 6 montre un exemple de trois directions de mesure possibles du vecteur vent. La figure 7 montre une forme d'exécution de l'antenne orientable du sondeur acoustique. La figure 8 montre une méthode possible de transformation des signaux électriques. L'appareil pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel qui va être décrit comporte plusieurs élé- ments, en particulier le sondeur acoustique, dont le principe est montré dans la fig. 1 : une antenne émettrice 1 envoie un train d'onde sonore 2 dans l'atmosphère. Ce train d'onde sonore 2 est diffusé par la turbulence atmosphérique 4 et une faible partie 5 de l'onde diffusée est renvoyée en direction de l'antenne réceptrice 5. Celle-ci peut être confondue avec l'antenne émettrice 1. L'intensité de l'onde diffusée dépend de l'angle de diffusion 7 défini dans la figure 2. L'intensité de l'onde diffusée dépend aussi de la nature de la turbulence atmosphérique. En particulier l'intensité 8 de l'onde sonore rétrodiffusée en direction de l'émetteur est différente pour la turbulence d'origine mécanique (vent) figure 3, qui correspond à des mouvements désordonnés de l'air et pour la turbulence thermique (figure 4) qui correspond à des particules d'air à une température différente de la température ambiante. Les moyens de -la présente invention pour transformer les signaux reçus en mesures du vent sont basés sur l'effet Doppler (figure 5). Le physicien C.J. Doppler (1803-1853) a en effet montré que si un objet 9 (ici une particule d'air thermique) se dépla çait à une vitesse radiale vl par rapport à une source sonore 10, il existait la relation suivante entre la fréquence f1 de la source sonore 2 et la fréquence f2 du signal diffusé 5 en direction de la source sonore f2 = fl (1 -2 v1/c) où cest la vitesse du son dans l'air. Connaissant a fréquence d'émission f la vitesse du soz dans l'air c, il est possible de calculer la vitesse axiale v1 par mesure de la fréquence f2. En mesurant la vitesse axiale dans trois directions dif férentes, on obtient 3 vitesses axiales vl, v2, v3 qui forment les composantes du vecteur vent v cherche. v=u1v1+u2v2+u3v3 u1,u2,u3 étant les vecteurs unitaires (connus) dans la direction de mesure. On peut représenter le vecteur vent v dans dif férents systèmes de coordonnées. On passe d'un système à l'autre E la relation matricielle v =Av ou v est le vecteur vent dans le nouveau système de coordonnées e A la matrice de transformation. Un exemple de directions de mesure commodes(figure 6) est celui où l'une regarde le Nord 12 en faisant un certain angle 15, par exemple 450, avec la verticale, où la deuxième rega@ l'Est 13 en faisant le même angle 15 avec la verticale et où la troisième est verticale, 14. Le sondeur acoustique est situé en 16 et le plan de mesure il est horizontal. L'objet de la présente invention est rendu possible par le fait que le vent ne varie pas ou peu dans un plan horizontal, à une distance raisonnable autour de la verticale du point d mesure. I1 est donc possible de calculer le vecteur vent v en mesurant successivement ses 3 composantes vl, v2, v3, par exemple chaque a t = 5 secondes. En répétant l'opération un certain nombre n de fois, par exemple n = 30, on obtient n vecteurs dont on peut calculer la moyenne v du vecteur vent pendant 1' tervalle de temps 3 n avec tandis que la distribution des v - v , n = 1, ... n donne n une mesure de la turbulence du vent.La méthode de transformation des signaux qui fait l'objet de la présente invention est basée sur l'idée suivante Tout système de mesure du vent est caractérisé par son volume d'épreuve et sa longueur de réponse. Le volume d'épreuve de l'objet de la présente invention est déterminé par la longueur du train d'onde sonore et son diamètre. Pour avoir un système de mesure physiquement correct, il faut que la longueur de réponse t soit de l'ordre de grandeur de la dimension noyenne d du volume d'épreuve V. #~ d = # Or, la présente invention utilise l'onde sonore comme moyen de mesure. I1 faut donc que le temps de mesure rr de la fréquence Doppler soit de l'ordre de grandeur du temps nécessaire à l'onde sonore pour traverser la dimension moyenne du volume d'épreuve d #~d/c c c etant la vitesse du son dans l'air. I > .tns la pratique on a d = 5-10m, c = 330 msec d'où ru lu msec. Or, ,sa l'on veut mesurer la fréquence Doppler avec une précision suffisante pour obtenir une définition de la vitesse du vent sa tisfaisanto, pir exemple 0,2m/sec, l'utilisation d'un fréquence mètre conduit à un temps de mesure beaucoup trop long. De même, l'analyse spectrale nécessite un nombre de points de mesure et un temps de calcul trop long. Pour surmonter ces problèmes, la méthode utilise par la présente invention consiste à mesurer la moyenne des périodes successives du signal alternatif reçu prise sur le temps de mesure r optimal. Comme la fréquence f2 du signal Doppler est voisine de la fréquence d'émission fl, on peut soit mesurer la moyenne de la durée de n périodes successives Pi i = l,..n t soit mesurer directement la durée de n périodes successives t2 La figure 7 représente une forme d'exécution de l'anten acoustique orientable de l'invention. Ell comporte l'émetteur du son proprement dit 17 qui peut être une chambre de compression de haut-parleur et qui fait en même temps office de microphone à la réception, un cône de diffusion 18, lui même relié à un réflecteur 20,sphérique ou parabolique, par des barres 19. Cet ensemble 17 à 20, qui forme l'antenne acoustique proprement dite, est rendu orientable en élévation par les deux supports 21, les deux axes mobiles 22 situés au voisinage du centre de gravité de l'antenne, dont l'un est entraine par l'ensemble moteur-réducteur 23 et l'autre entraine le dispositif de contrôle de position 24 qui peut être un codeur optique ou simple ment un doigt mécanique actionnant des contact électriques. L'orientation en azimuth est assurée par la rotation dt support 29 autour de l'axe 24 au moyen de l'ensemble moteurréducteur 25, la position étant détectée par des contacts électriques 26 placés sur la platine de base 27, actionnés par des doigts mécaniques 28. L'antenne est protégée des bruits parasites par une enceinte acoustique formée d'une paroi massive 30, par exemple du bois contreplaqué double de plomb et revêtu intérieurement d'une mousse plastique 31. Une forme d'exécution de la partie électronique de l'invention est représentée à titre d'exemple par la figure 8. D nombreuses variantes sont bien entendu possibles dans le choix des circuits de traitement des signaux électriques. Les circuits électroniques sont composés d'un générateur de signaux 32 par exemple à 1600 Hz, connecté à l'amplificateur 34 par l'interrupteur 33, et à l'antenne 36 par le commutateur 35, pendant un tem réglable, par exemple entre 10 msec et 200 msec,déterminé par la logique de commande 37.Immédiatement après l'émission, le commutateur 35 revient à la position B et l'onde sonore diffusée par la turbulence thermique de l'atmosphère est captée par l'antenne et transmise sous forme électrique successivement au préamplificatcur 38, au filtre de Lande 39, à un préamplificateur 40 dont le gain, commandé parle circuit 37 augmente avec le temps, un certain temps réglable après la fin de 1 'émission. Le signal est ensuite transmis au circuit limiteur d'amplitude 41. La mesure de la période moyenne est effectuée au moyen du compteur 42 qui est enclenché par le circuit de commande 37 aux altitudes successives de mesure.Ce compteur 42 reçoit les impulsions de l'oscillateur 43. I1 est arrêté lorsque le compteur à présélection 44 qui reçoit le signal Doppler à compté, à partir du même moment déterminé par le circuit de commande 37, le nombre de périodes présélectionné,par exemple 30.Le résultat de cette mesure est transmis soit au convertisseur digital-analogue 45 suivi d'un enregistreur graphique 46 sur lequel le papier peut être directement gradué en vitesse de vent et en altitude, soit sur le microordinateur 47, qui effectue simultanément les corrections de température dont il reçoit les valeurs par le circuit 48 et le calcul des composantes du vecteur vent. I1 assume aussi le contrôle de la position de l'antenne pour la mesure dans la direction suivante par l'intermédiaire du circuit 49 et la synchronisation du circuit de commande 37, par l'intermédiaire du circuit 50. Les résultats sont transmis au terminal 51 qui peut être par exemple une imprimante, un enregistreur graphique ou un support de données digitales tel que la bande perforée, le disque ou la bande magnétique sous toutes leurs formes. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel, caractérisé par le fait que le vecteur vent est déterminé par la mesure de ses composantes, effectuée successivement au moyen d'un seul sondeur acoustique relié à une seule antenne orientable. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mesure des composantes du vecteur vent est effectuée par lue calcul dela période moyenne du signal reçu en écho. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par 1e fait que la mesure du vecteur vent horizontal se fait par la mesure de deux composantes, au moyen d'au moins deux sondages effectués dans au moins deux directions successives. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé par 1 fait que le temps de mesure est de l'ordre de grandeur du temps de passage du son dans la dimension moyenne du volume d'épreuve. 5 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour la mesure de la période moyenne, un compteur relié à un oscillateur, ce compteur étant enclenché au temps correspondant à l'altitude d mesure et étant déclenché par un deuxième compteur lorsque le nombre de périodes correspondant au temps de mesure est atteint. 6 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé parle fait qu'il comporte, pour la mesure de la période moyenne, un périodemètre, relié à un convertisseur digital-analogique dont la constante de temps est de l'ordre de grandeur du temps de mesure. 7 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un conver tisseur fréquence-tension dont la constante de temps est de l'tord de grandeur du temps de mesure. 8 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un microordinateur agencé pour effectuer les calculs du vecteur vent et d'altitude, et pour commander la gestion de l'appareil. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé par des moyens pour introduire les données sur le profil de temps rature de l'atmosphère dans le microordinateur, celui-ci étant agencé pour utiliser lesdites données de manière à améliorer la précision de la mesure du vecteur vent.