Brevet FR2582403A1 — publié le 19861128

L'invention concerne un procédé pour la mesure simultanée de trois composantes de la vitesse par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler utilisant deux lasers à émission continue pour produire trois systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes dans un volume de mesure. Dans de nombreuses études d'écoulement, on est intéressé par la mesure simultanée des trois composantes de la vitesse d'écoulement. Pour la plupart des écoulements, la contrainte de poussée, par exemple, constitue une des grandeurs caractéristiques les plus importantes qui ne peut etre appréhendée que par une mesure simultanée des trois composantes du vecteur vitesse. En anémométrie laser par effet Doppler o de petites particules servent d'indicateurs pour la vitesse d'écoulement, ceci signifie que l'on enregistre simultanément soit les-trois composantes de la vitesse de chacune des particules, soit les trois composantes de particules différentes très rapprochées dans le temps. La durée admissible pour l'intervalle de temps dépend alors de la vitesse d'évolution des turbulences dans l'écoulement. Ainsi, pour des écoulements supersoniques, par exemple, la durée de cet intervalle ne doit pas excéder quelques microsecondes. L'anémométrie laser par effet Doppler sur laquelle est fondée la présente invention est quelquefois aussi appelée "procédé Doppler différentiel" ou "anémométrie à franges" (B. Lehmann, H.J. Pfeifer, H.D. vom Stein, demande de brevet allemand 16 73 403)>. Ceci est dû au fait qu'on envoie simultanément deux faisceaux partiels provenant d'un laser sur l'objet en mouvement dont on veut mesurer la vitesse. En raison de la différence d'angle, les deux faisceaux subissent lors de la diffusion un léger décalage par effet Doppler et ce décalage est utilisé pour déterminer la vitesse. Une explication équivalente part du fait que dans le volume d'intersection des deux faisceaux partiels apparaît un réseau de franges d'interférence et un objet qui traverse ce réseau passera alternativement dans des zones claires et des zones sombres et la fréquence de modulation de la lumière ainsi diffusée par cet objet est proportionnelle à la composante de sa vitesse dans le plan perpendiculaire au réseau de franges. Dans le cas le plus simple, un tel anémomètre à franges ne fournit donc que la mesure d'une seule composante de la vitesse. Dans le passé, on a décrit plusieurs montages optiques qui permettent, par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler, de déterminer simultanément trois composantes de la vitesse. Il s'agissait toujours d'extension de méthodes à deux composantes, utilisant deux couleurs différentes d'un laser à argon ionisé. Pour ces méthodes à deux composantes, on sélectionne par filtrage les deux raies d'émission intenses correspondant aux longueurs d'ondes de 488 nm et 515 nm et on les utilise pour produire dans le volume de mesure deux systèmes de franges d'interférence, orientés suivant des directions formant un grand angle l'une par rapport à l'autre, 900 en général. Le filtrage, aussi bien au niveau de la production des systèmes de franges d'interférence, qu'au niveau de la réception de la lumière diffuse, se fait au moyen soit de diviseur de faisceaux dichroïques, soit de filtres interférentiels, soit d'éléments dispersifs. Les systèmes à trois composantes existants peuvent Utre classes en diverses catégorie. Une première catégorie est celle o on utilise simplement une troisième raie du laser à argon ionisé pour produire un troisième système de franges d'interférence, orienté suivant une direction formant un grand angle par rapport aux deux autres systèmes (W. J. Yanta, A Three Dimensional Laser Doppler Velocimeter for Use in Wind Tunnels, ICIASF "79 Record, IEEE Publication 79 CH 1500-8 AE, pp. 294-301, 1979>. Cette méthode comporte deux inconvénients. D'une part, dans l'ordre des intensités décroissantes, la troisième raie délivrée par le laser à argon est nettement moins intense que les deux raies mentionnées ci-dessus. D'autre part, la longueur d'onde de cette raie qui est de 477 nm ne se situe qu'à 11 nm de la raie de 466 nm. Des éléments dichroides ne permettent plus de séparer ces deux raies, les filtres interférentiels entraînent dans ce cas des pertes importantes et les éléments dispersifs nécessitent de grandes différences de chemin optique pour séparer deux raies aussi proches et il en résulte des instabilités sur l'ensemble du montage. La mme constatation peut tre faite pour la raie à 497 nm du laser à argon, qui présente pratiquement la même intensité. Le deuxième type de montage pour la mesure simultanée de trois composantes n'utilise que les deux raies les plus intenses délivrées par le laser à argon ionisé. En plus des quatre faisceaux servant au système à deux composantes, on introduit dans le volume de mesure un cinquième faisceau partiel, dérivé soit de la longueur d'onde de 488 nm, soit de celle de 515 nm ("LDV System 9100- 11 for Three Component Measurement", publication de la Société TSI, Inc. 500 Cardington Road, St Paul, Minnesota 55164, USA). Ce faisceau partiel produit un troisième système de franges d'interférence le long de la direction de propagation des faisceaux lasers. Dans ce cas, la séparation des signaux est faite par voie électronique. Un inconvénient majeur de ce montage réside dans le fait que, pour des raisons physiques, l'écart des franges doit être extrêmement faible, p. ex. 1-2 pm, dans un des systèmes de franges, sinon il devient trop important dans le troisième système. Du fait de ce faible écart des franges, la méthode n'est applicable que pour la mesure de très faibles vitesses, et en aucun cas pour des vitesses supérieures à 100 m/s. Un troisième type de montage pour la mesure de trois composantes utilise également deux raies de couleurs différentes émises par le laser à argon ionisé. A l'aide d'une de ces couleurs, on réalise deux systèmes de franges perpendiculaires l'un par rapport à l'autre et polarisés différemment. La troisième composante est déterminée à l'aide du faisceau de la deuxième couleur ("Laser Doppler Anemometry", p. 44 et 45, publication de la Société DISA- Elektronik SA., Mileparken 22, 2740 Skovlunde, Danemark). Toutefois, la séparation de deux composantes par polarisation n'est possible que si les particules ne modifient pas la direction de polarisation lors de la diffusion. Mais ceci est souvent le cas, de sorte qu'on ne peut pas éliminer de prime abord le risque d'interaction entre les deux mesures. Un autre montage analogue utilise également une couleur pour la mesure de deux composantes. Au moyen de deux cellules de Bragg fonctionnant à des fréquences différentes, on assure en même temps la division du faisceau en quatre faisceaux partiels et une vitesse de déplacement différente des systèmes de franges perpendiculaires l'un par rapport à l'autre, ainsiengendrés dans le volume de mesure (F.L. Heltsley, F.L. Crosswy et D. Brayton, Transonic Wing/Store Flow Field Measurement Using a Laser Velocimeter, Technical Report AEDC-TR-80-54, 1980, Arnold Engineering Development Center, Arnold Air Force Station, Tennesse 37369, USA). Dans ce montage, la séparation entre les deux composantes de la vitesse se fait également par voie électronique. Dans des écoulements à forte turbulence, particulièrement intéressant pour les études de mécanique des fluides, la séparation des deux signaux mentionnés est difficile et souvent impossible. Un autre procédé consiste à appréhender la troisième composante à l'aide de l'effet Doppler direct. A cet effet, la lumière diffusée par les particules est partiellement superposée au rayonnement laser initial. La différence de fréquence entre ces deux faisceaux fournit une mesure directe de la composante de vitesse suivant la direction de propagation des faisceaux. Ce procédé ne fonctionne qu'en rêtrodiffusion et se trouve ainsi limité aux faibles vitesses; il ne peut détecter que de grosses particules, présentant une inertie relativement grande. Dans le descriptif de la demande de brevet allemand P 31 06 025.0,B. Lehmann montre qu'avec la méthode par effet Doppler direct selon Smeets, il est également possible de déterminer simultanément trois composantes de la vitesse. Mais dans ce cas, des propriétés essentielles de l'anémomètre à franges sont perdues, par exemple la possibilité d'observer des particules isolées, de travailler dans les conditions favorables qu'offre la diffusion vers l'avant et la possibilité d'utiliser des lasers simples à faible longueur de cohérence. Finalement, il reste à mentionner un procédé utilisant deux lasers à argon ionisé. L'un produit comme toujours le système à deux couleurs dans les longueurs d'ondes 488 nm et 515 nm, et le second engendre un système de franges d'interférence de longueur d'onde 477 nm (A. Boutier, "Three Dimensional Laser Velocimetry: A Review", Proc. Second Intern. Symposium on Applications of Laser Anemometry to Fluid Mechanics, paper no. 10.5, 1984 Instituto Superior Tecnico, Mech. Engn. Dept., 1096 Lisbonne, codex Portugal). La différence par rapport au premier procédé mentionné ci-dessus réside dans le fait que pour le système à deux couleurs on utilise un laser de puissance relativement faible, alors que pour la troisième couleur on se sert d'un laser de puissance élevée. Mais les inconvénients inhérents à ce système à trois couleurs qui ont été mentionnés ci-dessus, à savoir le faible écart entre les longueur d'ondes, se retrouvent dans ce procédé; en outre, il exige la mise en oeuvre d'un appareillage compliqué comportant un laser à argon de coût élevé. Le seul avantage par rapport au premier procédé mentionné est le fait que l'amplitude de la lumière diffuse est à peu près le même pour les trois couleurs. L'invention a essentiellement pour but d'améliorer le procédé pour la mesure simultanée de trois composantes de la vitesse par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler, de sorte que, comme indiqué cidessus, la précision de la mesure puisse, sans grande difficulté, tre considérablement augmentée et qu'elle devienne indépendante de l'ordre de grandeur de la vitesse de l'écoulement que l'on recherche à analyser. Partant du procédé de mesure simultanée de trois composantes de la vitesse mentionné ci-dessus, l'invention répond à cet objectif par division de la lumière émise par un premier laser en deux faisceaux partiels, dont l'un est utilisé dans un système à deux composantes, alors que l'autre sert au pompage d'un second laser, on obtient aussi dans le volume de mesure trois systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes, séparées d'au moins nm, et orientés suivant des directions formant une grand angle les unes par rapport aux autres. Conformément à l'invention, on crée ainsi la possibilité d'utiliser deux lasers à émission continue, de types différents, pour produire trois systèmes de franges d'interférence. Afin d'éviter tous les problèmes qui résultent de l'emploi d'un laser à argon ionisé du fait de la faible différence de longueur d'onde que présentent les raies émises par ce type de laser, on utilise, conformément à l'invention, comme troisième couleur de raie émise par un autre laser (laser à colorant) qui peut se situer, par exemple, à environ 600 nm. Cet autre laser est pompé au moyen d'une partie du rayonnement émis par le laser à argon, l'autre partie de ce rayonnement étant utilisé pour produire dans le volume de mesure deux systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes. Par le procédé conforme à l'invention, l'intensité des trois systèmes de franges d'interférence produits dans le volume de mesure peut tre réglée, d'une part à un niveau très élevé et d'autre part à un niveau à peu près uniforme, de sorte que les signaux de lumière diffuse correspondant aux trois composantes présentent tous les trois la même bonne qualité. Une interaction entre différents signaux est donc ainsi absolument exclue. Mais en outre le montage optique, malgré l'emploi d'un laser supplémentaire reste simple et il est nettement moins complexe que celui des autres procédés connus et le nombre des éléments optiques utilisés se trouve considérablement réduit. Selon une version avantageuse de l'invention, le procédé pour la mesure simultanée de trois composantes de la vitesse par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler utilisant deux lasers & émission continue pour produire trois systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes dans un volume de mesure, comprend les étapes suivantes; a) la lumière émise par le premier laser est divisée en deux faisceaux partiels, b> l'un des faisceaux partiels sert à produire deux systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes dans le volume de mesure, c> l'autre faisceau partiel sert au pompage du second laser et d) la lumière émise par le second laser est utilisée pour produire le troisième système de franges d'interférence dans le volume de mesure. De préférence, on utilise comme premier laser un laser à argon ionisé et comme second laser un laser à colorant. La division du faisceau émis par le premier laser en deux faisceaux partiels est de préférence faite de sorte que ces deux faisceaux présentent une puissance différente de préférence dans un rapport d'environ 80: 20, le faisceau partiel ayant la plus forte puissance étant utilisé pour le pompage du second laser. Selon une version avantageuse de l'invention, à partir d'un des faisceaux partiels, on forme trois faisceaux dont l'un a une longueur d'onde d'environ 488 nm, le deuxième une longueur d'onde d'environ 515 nm et le troisième devant comporter simultanément les deux longueurs d'ondes de 488 et 515 nm. De préférence, les trois faisceaux sont focalisés dans le volume de mesure suivant des directions formant de grands angles les uns par rapport aux autres. Le faisceau émis par le second laser présente de préférence une longueur d'onde d'environ 600 nm. De préférence également, à partir du faisceau émis par le second laser, on forme deux faisceaux partiels de même puissance, que l'on focalise dans le volume de mesure. On peut utiliser des cellules de Bragg pour produire chacun des trois systèmes de franges d'interférence. L'intensité des trois systèmes de franges d'interférence dans le volume de mesure peut tre réglée au même niveau. Pour exploiter les signaux de lumière diffuse provenant du volume de mesure, on peut utiliser deux filtres interférentiels non bloqués et un filtre simple à arftes. L'invention est expliquée ci-après en détail l'aide d'un exemple de réalisation illustré par une figure qui montre le schéma du montage réalisé conformément à l'invention. Le faisceau 1 délivré par un laser à argon 2 d'une puissance de 5W dans toutes les couleurs est envoyé sur un diviseur de faisceau 3. Cette lame laisse passer 80 % de la puissance du rayonnement en direction du laser à colorant 4 et envoie les 20 X restant en direction du système classique qui sépare les raies de 488 nm et de 515 nm de longueur d'onde au moyen d'éléments dichroïques. Trois faisceaux 7 se trouvent ainsi focalisés dans le volume de mesure 6. Un de ces faisceaux a une longueur d'onde de 488 nm, l'autre une longueur d'onde de 515 nm et le troisième présente simultanément ces deux longueurs d'ondes. On produit ainsi dans le volume de mesure 6 deux systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes, orientés suivant des directions formant un grand angle l'un par rapport à 1 'autre. Le faisceau jaune de longueur d'onde environ 600 nm, issu du laser à colorant 4 est envoyé au moyen des miroirs 8 et 9 dans un système classique à une composante 10 qui produit deux faisceaux partiels 11 de même intensité. On obtient ainsi dans le volume de mesure un troisième système de franges d'interférence orienté également suivant une direction qui forme un grand angle par rapport aux deux autres systèmes. Le laser à colorant ne doit répondre qu'à une seule exigence, il doit avoir une puissance de sortie. De quelconques exigences du point de vue stabilité en fréquence ou en puissance ne sont pas imposées, de sorte qu'on peut utiliser le modèle le plus simple d'un tel laser. Pour la production de chacun des trois systèmes de franges d'interférence, on utilise des cellules de Bragg, ce qui permet de déterminer également le signe du vecteur vitesse pour chacune des trois composantes. Compte tenu du grand écart qui sépare les trois couleurs utilisées, il est sans autre possible de séparer les trois composantes de la vitesse lors de l'acquisition des signaux de lumière diffuse. Pour la couleur bleue à 488 nm et la couleur verte à 515 nm, on utilise chaque fois un filtre interférentiel non bloqué, alors que pour la couleur jaune à 600 nm un simple filtre à arete suffit. Etant donné que dans le montage décrit un conforme à l'invention, les trois systèmes de franges d'interférence présentent dans le volume de mesure un niveau d'intensité élevée et à peu près identique, on obtient pour les trois composantes des signaux de lumière diffuse de même bonne qualité. Tout risque d'interaction entre signaux est exclu.En outre, le montage optique, malgré l'utilisation d'un laser supplémentaire, est plus simple que pour les autres procédés décrits jusqu'à présent et le nombre d'éléments optiques a pu Etre considérablement réduit. L'invention concerne donc un procédé qui, par emploi de méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler, permet de mesurer simultanément trois composantes de la vitesse d'un milieu en écoulement. A cet effet, un laser à ions d'argon 2 sert de source de lumière pour un système classique de mesure de deux composantes 5, qui, par l'intermédiaire de la raie bleue à 488 nm et de la raie verte à 515 nm engendre deux réseaux de franges d'interférence dans le volume de mesure 6. Ces deux réseaux o10 de franges d'interférence sont orientés de manière à former un grand angle l'un par rapport à l'autre. Le mme laser à ions d'argon sert par ailleurs de source de pompage pour le laser à colorant 10 qui émet au voisinage de la longueur d'onde de 600 nm. Ce rayonnement sert à engendrer un troisième réseau de franges d'interférence qui forme également un grand angle par rapport aux deux autres. La séparation des signaux de lumière diffuse provenant du volume de mesure 6 se fait de manière habituelle suivant les trois couleurs, à l'aide de filtres interférentiels ou colorés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure simultanée de trois composantes de la vitesse par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler utilisant deux lasers à émission continue pour produire trois systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes dans un volume de mesure, caractérisé par le fait que les trois systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes présentant une séparation des couleurs d'au moins 25 nm, sont orientés suivant des angles très différents dans le volume de mesure. 2. Procédé pour la mesure simultanée de trois composantes de la vitesse par des méthodes d'anémométrie laser par effet Doppler utilisant deux lasers à émission continue pour produire trois systèmes de franges d'interférences de couleurs différentes dans un volume de mesure, conforme à la revendication. 1, caractérisé par le fait que a) la lumière émise (1) par le premier laser (2) est divisée en deux faisceaux partiels, b) l'un des faisceaux partiels sert à produire deux systèmes de franges d'interférence de couleurs différentes dans le volume de mesure (6), c) l'autre faisceau partiel sert au pompage de second laser (4), et d) la lumière émise par le second laser (4) est utilisée pour produire le troisième système de franges d'interférence dans le volume de mesure (6). 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on utilise comme premier laser un laser à argon ionisé (2) et comme second laser un laser à colorant M4). 4. Procédé conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que la division du faisceau émis par le premier laser en deux faisceaux partiels est faite de sorte que ces deux faisceaux présentent une puissance différente de préférence dans un rapport d'environ : 20, le faisceau partiel ayant la plus forte puissance -sa tdWT S JtTJ un 4a sgnbolq uou slaT4uaJg+Ja4uT sa;tT+ xnap eSTzTTn uo (9) aJnsaw ap awnto^ np 4ueuaAoJd asn-+Tp aJTwnl ap xneubTs sal ja4Toldxa Jnod anb Twe} al jed 9sTJg4meiem 6saquapgpmjd sUOT=eTpua^aJ sap aun,! 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