Brevet FR2439383A1 — publié le 19800516

L'invention se rapporte à un procédé de mesure de précision d'un angle dans l'eau, par émissions et réceptions conttlées de signaux ultra-sonores, l'invention se rapportant de plus à un dispositif de mise en oeuvre du dit procédé. Le développement grandissant des chantiers sous-marins nécessite de plus en plus souvent la mise en oeuvre de méthodes de métrologie angulaire fine du genre de celles déjà employées en matière de Travaux Publics. La seule possibilité connue b ce jour reste l'intervention de plongeurs, souvent longue et difficile, et ne permet d'obtenir des informations fiables que sur des distances relativement courtes. Il a1 existe par ailleurs aucun appareil permettant d'appréhender des grandeurs angulaires dans Liteau, même d'une façon approximative. De plus dès que la profondeur à laquelle on est amené à opérer dépasse 500 mètres environ, toute intervention humaine devient impossible. L'invention a pour objet un procédé de métrologie angulaire sous-marine et un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, l'un et l'autre permettant des mesures d'angles de très grande précision, ni la distance sur laquelle ces mesures peuvent être opérées ni la profondeur à laquelle elles se font ntadmet- tant d'autres limites que celles imposées par la rentabilité des opérations envisagées. Selon l'invention, il s'agit de procéder à la mesure entièrement automatique du gisement d'un point donné, par rapport à un deuxième point lequel est rapporté à un axe médian de référence. A cette fins l'on dispose sur le premier point, une balise autonome émettrice d'ultra-sons et sur le deuxième point, un capteur de mesures destiné à recevoir le signal émis par la dite balise émettrice, ceci à l'aide de deux têtes réceptrices placées B une certaine distance l'une de l'autre et repérées par rapport au dit axe médian de référence, la balise émettrice les deux têtes réceptrices et le dit axe étant situés dans un mdme plan. De plus la disposition des dites deux têtes réceptrices est telle que la médiatrice du segment de droite les reliant se confond avec le dit axe médian de référence.En considérant alors les trajets ultrasonores séparant la balise émettrice des deux têtes réceptrices, on sait que si la balise émettrice se trouve sur l'axe médian , les deux trajets en question sont égaux ce qui fait que les signaux reçus par les deux récepteurs sont strictement en phase. Selon l'invention on produira un signal électrique de sortie au moyen d'un discriminateur de phases, le dit signal étant nul, dans le cas considéré. Au contraire, si la balise émettrice est décalée par rapport au dit axe médian , le signal qu'elle émettra parviendra à l'une des têtes réceptrices avant de parvenir à l'autre.Le signal de sortie se traduira ainsi par un déphasage lequel sera interprété par le discriminateur à l'aide dune différence de potentiel, positive ou négative, et on démontre que celle-ci est proportionnelle au sinus de l'angle recherché, le dit angle étant précisément celui compris entre d'une part le dit axe médian de référence et d'autre part la droite définie par la balise émettrice et le milieu du segment de droite reliant les deux t8tes réceptrices. Il existe cependant une limite supérieure k l'angle en question appelé encore gisement, ceci pour une distance donnée séparant les deux têtes réceptrices. Afin de définir cette limite, on observera qu'elle correspond k une différence entre les deux trajets ultrs-sonores égale à la valeur de la longueur d'onde employée, autrement dit à un décalage de phase de 360 , étant donné que ctest précisément ce décalage qui sépare deux points homologues de deux ondes successives.Cette valeur de 360 correspond à un intervalle de plus ou moins 1809 En appelant alors a la différence des deux trajets ultra-sonores, la longueur de l'onde ultra-sonore utilisée, et t le déphasage correspondant à la différence entre les deux trajets, ce déphasage sera exprimé par la formule t soit encore e la distance separant entre elles les 2 têtes réceptrices. L'angle O( s ou gisement recherché est alors défini par : sin a e On en tire l'expression finale de sin 00 en fonction du déphasage Q laquelle s'écrit encore : formule dans laquelle sinO 360O e On voit ainsi quten limitant la différence de trajet à une seule longueur d'onde soit à 3600 de décalage l'on obtient une valeur seuil pour sin , et il convient de se tenir en dessous de cette valeur limite afin d'éviter d'avoir à prendre en compte le nombre de longueursd'onde supdrieur B1. Par ailleurs, on peut ajuster le dit facteur de proportionnalité en choisissant judicieusement la distance entre les deux têtes réceptrices, ce qui permet de choisir en toute connaissance de cause la précision que lton désire obtenir lors de la mesure. D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux par la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, descrip tion et dessins se rapportant à un mode de réalisation particulier de l'invention et donnés b titre purement illustratif et nullement limitatif. Sur les dessins s - la figure 1 représente très schématiquement le tracé géométrique sur lequel se base la mesure selon l'invention - la figure 2 est une représentation en perspective schématique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de mesure selon l'invention - la figure 3 est un schéma montrant la disposition relative des têtes récep trices, principales et secondaires du dispositif d'application de l'invention - la figure 4 est un schéma bloc électronique montrant les connexions internes du dispositif en question. On voit sur la figure 1, en 1, la balise émettrice, en 2 et 3 les deux têtes réceptrices séparées entre elles par une distance appelée e. On voit encore, en X X l'axe médian de référence du système, cet axe passant par le point 4, milieu du segment de longueur e limité par les deux têtes réceptrices 2 et 3. L'angle à mesurer ou gisement est l'angle défini d'une part par l'axe XX d'autre part par la droite joignant la tête émettrice 1 et le point 4 précité. En portant sur la droite 1 3 une longueur égale à 1 2 on obtient le point 5 et entre les points 3 et 5 la longueur a qui représente précisément la différence des trajets parcourus par l'onde ultra-sonore entre 1 3 et 1 2. On vérifie aisément sur la figure 1 les iormules précédemment énoncées et notamment celle définissant le sinus de l'angle d en fonction de la longueur d'onde A représentée d'ailleurs schématiquement sur le trajet 1 2, ainsi qu'en fonction de la longueur e et du décalage de phase t . On voit sur la figure 2, représentés très schématiquement en vue perspective, la balise émettrice 1 ,l'axe médian de référence X X,la balise réceptrice 6, un coffret de commande et de lecture 7 sur lequel on a représenté le bouton de sélection manuelle éventuelle des têtes réceptrices secondaires. On a encore représenté en 9 le cadran d'affichage sur lequel l'angle ou gisement recherché est lu directement; on voit enfin en 10 un célérim8tre, autrement dit un appareil de type connu permettant d'envoyer au coffret de commande 7 des indications concernant la vitesse effective de propagation des ondes ultra-sonores dans le milieu fluide concerné, ceci afin d'éviter des erreurs de mesure consécutives k la prise en compte de valeurs erronées de la dite vitesse. La figure 3 illustre une particularité pratique du dispositif d' & plica tion selon l'invention. En reprenant les têtes réceptrices 2 et 3 ainsi que l'axe médian de référence X X de la figure 1 et en considérant que l'on sait à priori orienter le dit axe de manière à être certain que la balise émettrice se trouvera d'un c8té déterminé de l'axe Y Y' passant par les tettes 2 et 3 et étant perpendicu- laire au dit axe X X' on pourra convenir que l'ensemble des deux tettes 2 et 3, ensemble appelé encore paire couvre une plage de + 90 d'un cbté comme de l'autre de l'axe X X, soit au total l809 on aura ainsi une première valeur de l'angle ou du gisement recherché mais compte tenu de l'étendue relative de la plage explorée, la précision de la mesure ainsi obtenue sera en général insuffisante. Aussi, selon une caractéristique de l'invention, l'on associe k la dite paire 2 3 appelée encore paire principale, un certain nombre de paires appelées secondaires. Chacune de ces paires secondaires aura pour mission de balayer une plage de + 30a, soit au total un angle de 602 par paire, et l'on voit sur la figure 3 que la plage de 1800 balayée par la paire principale 2 3 est subdivisée en trois plages de 609 chacune, balayées respectivement par les paires 11-îîa, 12-12a et 13-13a, ces trois plages étant respectivement désignées par les angles Y 4 V, V 4 W et W 4 Y. La précision accrue donnée par les paires secondaires tient essentiellement au fait que la différence de potentiel k la sortie du discriminateur de phases est fonction du déphasage entre les deux trajets ultra-sonores. Or cette fonction ne présente une linéarité acceptable que sur une plage de dephasage de + 909. Une telle précision serait à la rigueur acceptable pour les indications données par la paire principale de têtes réceptrices 2 3.Mais, à la fréquence de 33 kHz habituellement utilisée dans des mesures de ce genre et pour un écartement d'environ 2,2cm entre tttes réceptrices d'une mdme paire la limite de précision souhaitée est précisément de tordre de + 302, les résultats obtenus l'étant alors avec une précision de l'ordre de 0,5". D'où il résulte la disposition déjà décrite, à savoir la subdivision en trois secteurs de 602 chacun, de la plage de 1802 attribuée k l'origine k la paire principale 2 3. D'un point de vue pratique les quatre paires 2 32 Il-lIa, 12-12a et 1313a sont montées sur un même btti rigide pouvant présenter par exemple la forme d'une couronne. On voit sur la figure 4 le schéma-bloc des connexions électroniques reliant entre eux les différents composants du dispositif d'application de l'invention précédemment décrit, connexions disposées à l'intérieur du coffret de commande et de lecture 7 représenté à la figure 2. On retrouve sur la figure 4 les deux totos réceptrices 2 et 3 constituant la paire dite principale, de même que les têtes 11la, 12-12a, 13-13a constituant, 2 à 2, les paires dites secondaires. On voit en 14 un dispositif amplificateur auquel aboutissent les signaux émanant des dites paires ou reçus par celles-ci. 15 est un système de commutation destiné à traiter, d'une manière connue, les signaux en question. 16 et 16a sont des systèmes également connus de mise en forme des signaux qui,k l'entrée présentent une forme sensiblement sinusoRdale et à la sortie une forme de signaux dits signaux carrés, lesquels pénètrent dans le discriminateur de phase 17 pour être ensuite amplifiés en 18, filtrés en 19 et enfin communiqués au système d'affichage 20 avec retour au système de commutation 15 comme il sera dit ci-après. S'agissant du mode de sélection et de sensibilisation de la paire secondaire qui sera appelée à entrer en fonction selon le secteur où se trouvera la première indication concernant le gisement et fourni par la paire principale, le dit mode de sélection peut au choix entre manuel ou au contraire entièrement automatique, étant donné qutil est connu de pré-sélectionner et de sensibiliser un composant électronique en fonction des indications d'ordre topographique, par exemple données par un autre composant, comme c'est le cas dans le dispositif en question. A noter encore que lesdispositifsi6-16a, que l'on appelle communément des convertisseurs sont agencés pour conserver les phases respectives des deux séries de signaux qui les traversent, tout en procédant à la mise en forme de ces derniers. C'est par ailleurs sous forme d'une différence de potentiel que le signal sortant du discriminateur de phase 17 pénètre dans l'amplificateur 18. Quant au filtre 19, il ne donne que la valeur moyenne de la distribution statistique qui affecte le déphasage des signaux ultra-sonores, tels que reçus sur la paire de tettes réceptrices considérées, têtes qui sont en général des céramiques piézoélectriques. Le cadran de lecture 9 est celui d'un voltmètre directement gradué en angles, cette graduation n'étant cependant pas linéaire, étant donné que la tension à la sortie du discriminateur de phase est proportionnelle au sinus du gisement recherché. Le procédé et le dispositif d'application selon la présente invention présentent de nombreux avantages. Le fonctionnement de ce dernier est en particulier, entièrement statique. L'appareil est peu encombrant. Sa mise en oeuvre est facile, notamment par des plongeurs sous-marins. La porte de l'appareil peut être trous grande car il suffit de disposer d'une puissance suffisante de la balise émettrice. Quant à la précision obtenue elle peut être aussi grande que l'on désire 2 il suffirait pour cella d'augmenter, en rapport, le nombre des paires secondaires. L'appareil est par ailleurs robuste et peut ionctionner en toute profondeur même en eau turbide. Afin d'en accrottre l'invulnérabilité il est possible de noyer les tettes réceptrices dans un enrobage protecteur approprié, à l'intérieur du bâti déjà mentionné. il va sans dire que la présente invention ne saurait être limitée aux exemples et réalisations qui viennent d'être décrits, des modifications de détail pouvant encore y hêtre apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention, ni en dépasser la portée. C'est ainsi que le filtre 19 de la figure 4 peut être un filtre du type dit "actif" et que, lorsque, avantageusement, lton fait fonctionner le dispositif suivant l'invention d'une manière répétitive, l'on parvient, gråce à ce filtre, à éliminer les valeurs aberrantes éventuelles, ainsi que le bruit dit "de phase". D'autre part et pour rendre le dispositif peu sensible aux échos parasites, on s'arrange pour ne prendre en compte, k chaque mesure, que les cinquante premières sînusotdes de chaque train de signaux. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de mesure ultra-sonore d'angles dans liteau, caractérisé en ce que l'on émet un signal ultra-sonore à partir du point dont on désire connattre l'angle que fait la direction dans laquelle il se situe à partir d'un second point et repéré par rapport à un axe médian de référence, le dit signal étant capté, avec une différence de phase, par deux têtes réceptrices, distantes entre elles d'une certaine longueur, le dit second point étant le milieu de cette longueur et le dit axe passant par ce même second point, l'angle recherché étant proportionnel à la dite différence de phase, le coefficient de proportionnalité variant en raison directe de la longueur de l'onde ultra-sonore utilisée et en raison inverse de la distance séparant les deux têtes réceptrices, le procédé selon l'invention se poursuivant en transmettant le résultat de la mesure ainsi définie, effectuée par la paire de têtes réceptrices, dite paire principale, laquelle couvre la totalité de la plage à explorer, à une seconde paire do récepteurs, faisant partie d'un ensemble de paires analogues, dites paires secondaires, entre lesquelles on a réparti la dite plage à explorer, cette seconde paire étant celle dans la plage partielle d'action de laquelle se trouve l'angle relevé par la dite paire principale. 20) Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est purement statique. 39)Procédé selon ltuno des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est répétitif. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'k chaque mesure l'on ne retient que les cinquante premières sinusoïdes relevées. 5Q) Dispositif de mise en oeuvre du procédé de mesure ultra-sonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte en premier lieu une paire de récepteurs dite paire principale à laquelle sont associées d'autres paires de récepteurs, dites paires secondaires, la plage k explorer couverte par la paire principale étant la somme des plages partielles attribuées à chacune des paires secondaires. 69) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un système électronique affecté au traitement des signaux émis par les têtes réceptrices et à la transmission du résultat à un appareil d'affichage permettant la lecture directe de l'angle recherché. 70) Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de pré-sélectionner, en fonction des signaux émis par la dite paire principale, la paire secondaire dont la plage d'action comprend la valeur de l'angle relevée par la dite paire principale. 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la dite présélection est manuelle et s'effectue en fonction de la lecture directe, sur le cadran d'affichage, de l'angle mesuré par la paire principale. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la présélection de la paire secondaire est obtenue automatiquement par le dit dispositif électronique. 10 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 b 9, caractérisé en ce que le dispositif électronique comporte dans l'ordre un système amplificateur, un système de commutation, deux convertisseurs de mise en forme, un par tête réceptrice, un discriminateur de phase, un second amplificateur, un filtre dit actif et enfin un dispositif d'affichage.