Brevet FR2542454A1 — publié le 19840914

L'invention concerne un appareil pour mesurer le champ magnétique terrestre L'invention concerne plus particulièrement un appareil pour orienter en continu un magnétomètre de manière que l'amplitude d'un champ magné- tique local puisse être mesurée avec une sensibilité maxi- male du magnétomètre. Au cours des dernières années, le magnétomètre à pompage optique a été largement utilisé comme dispositif de détection de champs magnétiques, capable de mesurer avec une très grande précision (de l'ordre d'une partie par million ou plus) le champ terrestre Cet instrument utilise les effets de la mécanique quantique pour produire une fréquence de sortie dépendant de l'amplitude du champ magnétique local Bien que ses principes de fonctionnement et ses détails de construction soient bien connus, il con- vient de noter que l'instrument comprend un échantillon de vapeur, habituellement du césium, à travers lequel un fais- ceau lumineux (connu sous le nom de "faisceau de pompage"), définissant l'axe optique du magnétomètre est transmis. Une caractéristique du magnétomètre à pompage optique à cellule simple est que la précision avec laquelle l'amplitude du champ magnétique est détectée dépend de l'orientation angulaire de l'instrument par rapport au champ magnétique local Habituellement, on obtient une précision optimale de mesure lorsque l'axe optique du dis- positif est orienté à 450 par rapport au vecteur du champ magnétique local Par conséquent, le lieu de la détection optimale pour un tel dispositif consiste en un cône de demi-angle au sommet de 45 , centré sur l'axe optique du magnétomètre L'alignement du vecteur champ magnétique local sur tout élément quelconque de ce cône satisfait la relation de détection optimale pour l'instrument. Pour établir la carte du champ magnétique terrestre et dans de nombreuses autres applications, le magnétomètre est associé à une plate-forme en mouvement, par exemple un avion, qui parcourt généralement une zone choisie, de con- figuration préalablement choisie Par conséquent, le magnéto- mètre doit être continuellement réorienté pendant toute la durée du relevé pour que l'on obtienne, en sortie, une sen- sibilité et une précision uniformes De nombreux procédés ont été proposés pour tenter de résoudre le problème de l'orientation Selon l'un de ces procédés, six magnéto- mètres indépendants sont disposés le long de trois axes qui sont euxmêmes disposés de manière que le vecteur du champ total se déplace angulairement par rapport aux axes. De cette manière, l'opération de mesure passe successive- ment d'une paire à l'autre le long des axes, permettant au vecteur champ de conserver constamment une relation angu- laire tolérable, bien que non optimale, avec au moins une paire de cellules On obtient ainsi un axe de sensibilité essentiellement omnidirectionnel Une telle configuration, bien qu'évitant d'avoir à utiliser un mécanisme d'orienta- tion du magnétomètre, est caractérisée par des coûts de fabrication et d'entretien élevés, résultant de la multi- plication par six d'un grand nombre des éléments du système. Divers systèmes d'orientation utilisent un dis- positif du type à suspension à la cardan Parmis ces dis- positifs, il existe deux systèmes commercialisés par la firme Varian Associates Dans l'un de ces systèmes, un rayon choisi du cône précité du magnétomètre est maintenu dans une orientation approximativement optimale par rapport au champ magnétique local, par une rotation manuelle des éléments de suspension à la cardan La reprise du pointage du magnétomètre consiste à le faire tourner autour de son axe Ce système d'orientation est gêné, en fonctionnement, par la présence de câbles relativement rigides, normale- ment associés au magnétomètre, qui exigent l'application de moments de force importants pour provoquer cette rota- tion du magnétomètre Dans un second système, une suspen- sion à la cardan à trois axes est commandée par un servo- mécanisme à circuit fermé qui détecte la direction des champs magnétiques terrestres par une analyse des effets d'un champ magnétique supplémentaire variant périodiquement. Le servomécanisme oriente l'élément de suspension approprié pour maintenir l'axe optique en alignement sur la direction du champ Bien que cet appareil donne des mesures d'une haute précision, il est coûteux, lourd et encombrant, le coût du système d'orientation étant supérieur d'un ordre de grandeur à celui du magnétomètre qu'il supporte. Les inconvénients décrits ci-dessus ainsi que d'autres inconvénients de l'art antérieur sont élimines par la présente invention qui propose un appareil pour mesurer l'amplitude du champ magnétique terrestre Cet appareil comprend un magnétomètre possédant un axe optique, la sensibilité maximale de mesure de ce magnétomètre étant définie par un cône d'angle prédéterminé qui est symétri- que par rapport à cet axe Une plate-forme plane, présen- tant une ouverture, loge le magnétomètre Des moyens sont prévus pour relier le magnétomètre à la plate-forme, ces moyens formant des axes orthogonaux de rotation Il est en outre prévu des moyens destinés à incliner le magnéto- mètre dans le plan du méridien magnétique afin que l'amplitude d'un champ magnétique local soit mesurée avec une sensi- bilité maximale. De plus, l'invention concerne un appareil pour positionner un magnétomètre Cet appareil comprend une plate-forme plane présentant une ouverture interne Des moyens sont prévus pour relier un magnétomètre à la plate- forme afin de former des axes orthogonaux de rotation. Des moyens sont en outre prévus pour incliner le magnéto- mètre dans le plan du méridienmagnétique de manière que l'amplitude du plan magnétique local puisse être mesurée avec une sensibilité maximale. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un magnétomètre à pompage optique du type auquel l'inven- tion a trait, cette vue montrant l'angle de cône caracté- ristique-de la sensibilité de mesure; la figure 2 est une vue en perspective de l'en- semble du système destiné à orienter un magnétomètre selon l'invention; et la figure 3 est une vue en perspective à échelle agrandie du dispositif de positionnement faisant partie du système pour orienter un magnétomètre. La figure 1 est une vue schématique d'un magnéto- mètre 10 à pompage optique conforme à et pouvant être utilisé avec la présente invention Sur cette figure, le magnéto- mètre est représenté comme étant orienté par rapport au vecteur champ magnétique local H de manière que ce magnéto- mètre présente une sensibilité maximale à l'amplitude du champ. Le vecteur champ H s'étend dans le plan méridien magnétique 13 défini par ce vecteur H et la verticale locale 15 La sensibilité maximale de mesure est obtenue lorsque l'angle formé entre l'axe optique 12 du magnéto- mètre 10 et le vecteur H contenu dans le plan 13 est de Pour obtenir un tel écart angulaire, on incline le magnétomètre 10, à partir de l'horizontale, d'un angle y * a, o est l'inclinaison du vecteur champ par rapport à l'horizontale et a est de 45 ' On obtient le complément de l'angle (y + a) en soustrayant cet angle de 90 , le complément étant l'angle d'obliquité ou de nutation" de l'axe du détecteur-par rapport à la verticale locale, cet angle correspondant à l'angle de détection optimale Cet angle apparaît sur la figure 1 comme étant l'angle d'obli- quité de l'axe 12 du détecteur (Dans le présent mémoire, le terme "inclinaison" désigne l'angle par rapport à l'horizontale et le terme "obliquité" désigne l'angle par rapport à la verticale) Pour des angles d'inclinaison du vecteur champ inférieurs à 450 par rapport à l'hori- zontale, la géométrie du second vecteur H 2, montré sur la figure 1, s'applique Par conséquent, il apparaît que les angles d'obliquité de l'axe 12 du détecteur ne doivent jamais dépasser 450 pour l'obtention d'une orientation optimale, quel que soit l'angle d'inclinaison. Le magnétomètre peut être un modèle "VIW 2321 G 3 " produit par la firme Varian Associates, Palo Alto, Cali- fornie, E U A Un tel instrument offre une précision de relevé magnétique suffisante à l'intérieur de l'angle de cône a = 45 + 5 o S égale 50 En outre, des mesures d'essai de magnétomètre ont montré que la variation à l'intérieur de l'angle du cône pouvait s'élever jusqu'à une valeur de. X = + 8,5 Avec une telle variation admise de l'angle du cône, un véhicule portant le magnétomètre 10 peut subir des mouvements de tangage et de roulis sur des angles quelque peu supérieurs à 50, avec une perte de précision de la mesure du champ magnétique faible ou nulle Un inverseur de polarité, monté sur le magnétomètre 10 (et non repré- senté), permet à l'opérateur d'inverser la zone active afin d'adapter le magnétomètre à un vecteur champ dont la polarité est l'inverse de celle indiquée sur la figure 1. La figure 2 est une vue en perspective du sys- tème complet pour orienter le magnétomètre 10 selon l'in- vention L'appareil représenté sur cette vue, qui comprend un dispositif 13 de positionnement et un dispositif 15 de commande, peut être monté sur un aéronef ou tout autre véhicule, par exemple pour procéder à une exploration miné- rale En ce qui concerne tout d'abord le dispositif 13 de positionnement, le magnétomètre 10 est fixé au moyen d'un agencement d'anneaux de suspension à la cardan (non repré- sentés) qui définissent des angles orthogonaux de rotation, à une plateforme 14 de support présentant une ouverture circulaire 16 dans laquelle le magnétomètre est disposé. Une barrette hémisphérique 18, fixée à une embase annulaire , est montée de façon à pouvoir tourner sur la plate- forme 14 L'extrémité supérieure du magnétomètre 10 peut coulisser dans une fente 22 de guidage qui s'étend sensi- blement sur toute la longueur de la barrette hémisphérique 18. L'embase annulaire 20 comporte plusieurs dents d'engrenage (non représentées) disposées circonférentielle- ment Une rainure de forme en U est ménagée dans la plate- forme 14 pour permettre le passage d'une courroie 24 d'en- traînement comportant plusieurs dents 26 faisant saillie vers l'intérieur et destinées à engrener avec les dents associées à l'embase 20 Ainsi, l'embase annulaire 20 et la barrette hémisphérique 18 tournent autour d'un axe perpendiculaire au plan de la plate-forme 14 de support sous l'action de la courroie 24 d'entraînement Cette dernière est elle-même entraînée par la rotation d'une roue dentée menante 27 faisant partie du dispositif 15 d'entraînement et qui est commandée par une roue 28 d'indexage d'azimut La roue 28 peut être commandée manuel- lement ou électromécaniquement, en continu, par de nom- breux moyens comprenant, à titre d'exemple non limitatif, des servomécanismes ou autres En fonctionnement, une rotation de la roue 28 et la rotation correspondante de la barrette hémisphérique 18 servent à maintenir la fente 22 de guidage de la barrette 18 dans le plan du méridien magnétique du champ magnétique local, quel que soit le cap du véhicule En conséquence, il est possible d'assurer le maintien de l'angle préféré d'environ 450 entre le vecteur champ local et l'axe optique 12, car deux rayons du cône de sensibilité maximale de mesure du magnétomètre ont une orientation préalablement choisie dans le plan qui contient la fente 22 de guidage positionnée par "l'obli- quité" du magnétomètre 10 dans la barrette hémisphérique 18. Des signaux électriques représentatifs de l'in- tensité du champ magnétique sont transmis du magnétomètre à un préamplificateur 30 par un câble conducteur rela- tivement rigide 32 Une caractéristique essentielle du dispositif d'orientation selon l'invention est que le couple demandé pour orienter le magnétomètre 10 lorsque l'aéronef change de cap est relativement minime, car le dispositif d'orientation permet de reprendre continuelle- ment le pointage du magnétomètre (par une rotation de la barrette hémisphérique 18) sans torsion ni rotation de l'instrument autour de son axe longitudinal (optique). Par contre, comme montré sur la figure 3, un système de deux anneaux de suspension à la cardan, qui relie le magnéto- mètre 10 à la plate-forme 14, autorise une plage suffisante de mouvements du magnétomètre pour permettre au pointage de ce dernier d'être repris continuellement sans engendrer la torsion indésirée et la résistance importante qui en résulte et qui lui est opposée par le câble 32, comme décrit précédemment Un autre avantage de l'absence de torsion des câbles est que l'orientation du magnétomètre peut s'effectuer suivant toute séquence, sans nécessiter un "déroulage" du câble pour éliminer les effets d'une série de rotations de même sens. La figure 3 est une vue en perspective à échelle agrandie du dispositif 13 de positionnement de l'appareil d'orientation Cette vue montre un certain nombre de carac- téristiques essentielles du dispositif 13 de positionnement, qui n'apparaissent pas sur la vue précédente On peut voir que la partie inférieure de l'embase annulaire'20 comporte des dents d'engrenage 24 Comme mentionné précédemment, les dents d'engrenage 24 engrènent avec des dents 26 fixées à la face intérieure de la courroie 24 d'entraînement de manière que la position angulaire de la barrette hémisphé- rique 18 et de la fente 22 de guidage dépende de la rotation de la roue dentée 27 d'entraînement La rainure de forme en U permettant le passage de la courroie 24 d'entraînement à travers la plate-forme 14 de support afin qu'elle engrène avec l'embase 20 et la fasse ainsi tourner apparait sous la forme de deux entailles opposées 36 et 38 d'entrée associées à une partie semi-circulaire 40 du jeu existant entre la plate-forme 14 et l'embase annulaire 20. La zone intérieure 42 de l'ouverture 16 de la plate-forme 14 est indépendante de la rotation de l'embase et forme la partie intérieure d'une rainure dans laquelle l'embase 20 peut tourner Une bague 44 de maintien du magnéto- mètre est fixée au magnétomètre 10 par des vis opposées 46 et 48 de blocage et elle est fixée de façon à pouvoir tour- ner sur des parties latérales allongées et opposées d'un anneau oblong 50 de suspension à la cardan, au moyen de deux tourillons latéraux dont un seul, à savoir le touril- lon 52, est représenté sur la figure 3 (l'autre tourillon étant placé sur la partie latérale opposée de l'anneau oblong 50 de suspension) L'agencement décrit ci-dessus détermine un premier axe 54 de rotation du magnétomètre 10, comme indiqué Les parties extrêmes de l'anneau oblong de suspension sont montées de façon à pouvoir tourner sur la face intérieure 42 de l'ouverture de la plate-forme 14 au moyen d'un agencement similaire de tourillons opposés dont un seul, à savoir le tourillon 56, est représenté sur la figure 3 Ce dernier agencement de tourillons détermine un second axe de rotation 58 pour le magnétomètre 10, comme indiqué On peut noter que les axes de rotation 54 et 58 sont orthogonaux et forment un système de coordonnées qui est indépendant de la rotation de l'embase 20. Des écrous hexagonaux 60 de serrage fixent une coiffe 62 sur la partie supérieure du magnétomètre 10 La coiffe 62 comporte une broche hexagonale 64 qui dépasse de son centre géométrique (et qui s'étend le long de l'axe optique du magnétomètre 10) Un manchon cylindrique 66, verrouillé sur l'extérieur de la broche 64, présente une surface extérieure circulaire mobile à l'intérieur de la fente 22 de guidage Une feuille d'élastomère forme un tampon ou patin 68 qui porte par sa surface supérieure contre la barrette 18 et par sa surface inférieure contre le dessus de la coiffe 62 Un trou de ce tampon permet le passage du manchon cylindrique 66. Pour maintenir le magnétomètre 10 dans une obli- quité préalablement choisie, la position angulaire du -25 manchon 66 doit être maintenue pendant la rotation de la barrette Deux papillons de blocage 70 et 72, qui sont fixés au tampon 68, de part et d'autre du manchon 66, au moyen de vis 74 et 76, respectivement, sont prévus à cet effet La position du manchon cylindrique 66 dans la fente 22 et donc l'obliquité du magnétomètre 10 peuvent être réglées manuellement ou à l'aide de tous moyens méca- niques, électromécaniques ou électroniques, par l'appli- cation d'une force suffisante pour amener l'ensemble d'éléments mentionnés ci-dessus vers une nouvelle position d'obliquité Après que la nouvelle position a été atteinte, les forces de compression exercées sur la barrette hémi- sphérique 18 par les papillons 70 et 72 de blocage et par le patin 68 et celles exercées par les bords des papillons et 72 de blocage contre le manchon cylindrique 66 empê- chent tout mouvement de pivotement du magnétomètre 10 à l'intérieur de la fente 22. Une caractéristique du mode d'enclenchement entre le manchon 66 et la barrette hémisphérique 18 est la faible distance comprise entre les bords intérieurs de la fente 22 et les papillons de blocage 70 et 72, d'une part, et la circonférence du manchon cylindrique 66, d'autre part. En conséquence, la coiffe 62 du magnétomètre 10 peut glisser à l'intérieur de la fente 22 et peut résister à la rotation lorsque l'embase 20 est tournée En fonctionnementl'angle formé entre le vecteur champ magnétique local et l'axe optique du magnétomètre est déterminé soit d'après des données préalablement choisies, soit empiriquement de manière que le vecteur champ local coïncide approximative- ment avec un rayon du cône de sensibilité maximale du magnétomètre 10 lorsque ce dernier prend une certaine obliquité dans le plan du méridien magnétique Si l'on suppose qu'un arpentage ou un relevé aérien doit être effectué, la fente 22 de la barrette hémisphérique 18 est maintenue en alignement avec le plan du méridien magné- tique, malgré les changements de cap de l'aéronef, par des rotations de l'embase annulaire 20 en réponse aux rotations de la roue dentée 27 d'entraînement, transmises par la courroie 24 d'entraînement On peut communiquer une rotation appropriée à la roue 27 d'entraînement en confi- gurant son mécanisme de manière qu'il réagisse à divers indicateurs de cap de l'aéronef Autrement, la roue dentée 27 peut être réglée manuellement par une personne qui observe les diverses commandes de l'aéronef indiquant le cap. Lorsque l'embase 20 tourne, le mécanisme de suspension à la cardan qui maintient le magnétomètre 10 ne tourne pas Par contre, ce mécanisme et donc le magnéto- mètre sont limités, en mouvement, à des mouvements d'incli- naison ou d'obliquité autour des axes 54 et 58 Comme mentionné précédemment, le dessus du magnétomètre 10, qui est articulé sur les axes orthognaux de suspension à la cardan, glisse, de l'angle d'obliquité fixe préalablement choisi, à l'intérieur de la fente 22 de guidage lorsque la barrette hémisphérique 18 est-tournée, grâce au "jeu" exis- tant entre le manchon cylindrique 66 et la barrette hémi- sphérique 18 Ainsi, on procède à une reprise du pointage du magnétomètre 10 en l'inclinant sur les axes orthogonaux fixes, ce qui a pour effet de courber le câble associé plutôt que de le soumettre à une torsion autour de son axe optique De cette manière, la reprise du pointage du magnétomètre 10 s'effectue avec une force minimale, car la résistance importante à la torsion, due à la nature du câble associé qui coïncide avec l'axe optique longitu- dinal du magnétomètre 10, n'a pas à être vaincue. Il apparaît donc que le dispositif perfectionné de mesure selon l'invention permet d'orienter en continu un magnétomètre de manière que l'amplitude d'un champ magnétique local puisse être mesurée avec une sensibilité maximale, malgré les variations de cap du véhicule portant le magnétomètre, par rapport au plan du méridien magnéti- que. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil pour mesurer l'amplitude du champ magnétique terrestre, caractérisé en ce qu'il comporte un magnétomètre ( 10) présentant un axe optique ( 12) et dont la sensibilité optimale de mesure est définie par un cône d'angle prédéterminé qui est symétrique par rapport audit axe optique, une plate-forme plane ( 14) présentant une ouverture ( 16) destinée à loger le magnétomètre, des moyens destinés à relier le magnétomètre à la plate-forme et formant des axes orthogonaux ( 54, 58) de rotation du magnétomètre, et des moyens destiné à incliner le magnéto- mètre dans le plan du méridien magnétique de manière que l'amplitude d'un champ magnétique local puisse être mesurée avec une sensibilité maximale. 2 Appareil pour le positionnement d'un magnéto- mètre ( 10), caractérisé en ce qu'il comporte une plate- forme plane ( 14) présentant une ouverture interne ( 16), des moyens destinés à relier le magnétomètre à ladite plate forme de façon à former des axes orthogonaux ( 54, 58) de rotation du magnétomètre, et des moyens destinés à incliner le magnétomètre dans le plan du méridien magnétique afin que l'amplitude d'un champ magnétique local puisse être mesurée avec une sensibilité maximale. 3 Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague- intérieure ( 44) destinée à la fixation du magnétomètre, et une bague extérieure ( 50) qui est montée sur la plate- forme de façon à pouvoir tourner et à définir un premier axe ( 58) de rotation dans le plan de ladite plate-forme, la bague extérieure étant également reliée à la bague intérieure de façon à pouvoir tourner pour définir un second axe ( 54) de rotation, orthogonal au premier axe. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens destinés à incliner le magnétomètre comprennent en outre un guide ( 18) destiné à retenir de façon coulissante une première extrémité du magnétomètre, et des moyens destinés à orienter angulairement ledit guide dans le plan de la plate-forme. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le guide comprend une barrette hémisphérique ( 18) présentant une fente intérieure ( 22). 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à orienter angulairement le guide comprennent ladite barrette qui est fixée à une embase annulaire ( 20), ainsi que des moyens destinés à faire tourner ladite embase. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'embase comporte une rangée périphérique de dents ( 34) d'engrenage et en ce que les moyens destinés à faire tourner l'embase comprennent une courroie ( 24) qui présente plusieurs dents ( 26) destinées à engrener avec les dents de l'embase. 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à faire tourner l'embase comprennent un servomécanisme conçu pour entraîner la courroie. 9 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bague extérieure est sensiblement ovale.