Brevet FR2652648A1 — publié le 19910405

La présente invention concerne un capteur optique de turbulences et de mélanges, destiné à caractériser en dynamique un milieu hétérogène liquide ou gazeux. L'invention concerne en particulier les capteurs de turbulence hydrodynamique, les capteurs de mélanges en génie chimique et les capteurs de sillage profond des sous-marins. I1 a été admis que la turbulence développée par la traînée d'un mobile est une turbulence forte de type Kolmogorov, caractérisée par des gradients de vitesses, de pressions, d'indices optiques. Une onde électromagnétique cohérente se propageant dans un tel milieu subit des diffusions, des réflexions, et des interférences avec elle-même. La présente invention a pour but de définir un capteur optique susceptible de fournir une véritable signature du milieu traversé par l'onde électromagnétique. La présente invention a pour objet un capteur optique de turbulences ou de mélanges dans un milieu, caractérisé par le fait qu'il comporte - un laser émettant un faisceau modulable en fréquence ou en amplitude, - des moyens pour détecter les caractéristiques de phase, d'amplitude ou de fréquence du faisceau de mesure après sa propagation dans ledit milieu, - des moyens de traitement et d'identification de l'ensemble des signaux obtenus afin de définir la signature dudit milieu. Selon un premier mode de réalisation, ledit laser est susceptible d'émettre à une longueur d'onde X et il est accordable sur une largeur ss > ; une partie du faisceau émis sert de faisceau de référence et l'autre partie, dite faisceau de mesure, traverse ledit milieu et interfère avec ledit faisceau de référence; lesdits moyens de traitement tracent le diagramme de Smith correspondant, pour toute la gamme de longueur d'onde t > . Selon un second mode de réalisation, ledit laser est susceptible d'émettre une seule longueur d'onde et son faisceau est modulé en intensité ou en amplitude ; une partie du faisceau émis sert de faisceau de référence et l'autre partie, dite faisceau de mesure, traverse ledit milieu ; l'état de phase dont le signal de modulation est porteur est comparé avec celui dont le faisceau de référence est porteur ; lesdits moyens de traitement tracent le diagramme de Smith correspondant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais non limitatif. Dans le dessin annexé - La figure 1 montre une courbe de variations en fonction du temps t de la fréquence d'émission G) d'un laser entrant dans la structure d'un premier mode de réalisation d'un capteur selon l'invention. - La figure 2 montre une courbe de variations en fonction du temps t de la fréquence GO du signal de modulation de l'amplitude ou de m l'intensité d'un laser entrant dans la structure d'un second mode de réalisation d'un capteur de l'invention. - La figure 3 est un schéma simplifié d'un capteur selon le premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 4 est un schéma simplifié d'un capteur selon le second mode de réalisation de l'invention. - Les figures 5 à 7 sont des diagrammes de Smith susceptibles d'être fournis par un capteur selon l'invention conforme à celui des figures 3 et 4. Dans le cas d'un premier exemple de réalisation, un capteur selon l'invention (voir figure 3) comprend un laser accordable entre deux fréquences CO et O 2 (voir figure 1). La courbe décrit des rampes successives. La largeur de raie du laser est supposée infiniment fine. Dans la figure 3, un laser 1 émet un faisceau 2 à la longueur d'onde X , accordable sur une largeur Le faisceau est séparé par l'élément 3 semi-réfléchissant en un faisceau de référence 4 réfléchi par un miroir 6, et un faisceau de mesure 5 traversant le milieu à étudier 8 et réfléchi par une cible 7. Les faisceaux de référence et de mesure interfèrent au niveau d'un dispositif de détection 10 qui mesure (à 2 t près) le déphasage entre ces deux faisceaux. Des moyens sont prévus pour mesurer l'énergie du faisceau renvoyé par la cible et donc pour définir son amplitude. Pour chaque fréquence ss de l'intervalle \ , il est donc possible de déterminer sur un diagramme de Smith un point caractéristique du milieu 8. Ce diagramme signe donc la perturbation du milieu. Les figures 5, 6, 7 sont des diagrammes de Smith pour des milieux constitués d'un ensemble de couches A et B, d'indices nA, ns et d'épaisseurs eA, eg avec n A = nB = 4J et nAeA = nBeB = 10. Les diagrammes des figures 5, 6, 7 illustrent les impédances électromagnétiques du milieu (rapport Onde Aller/Onde Retour) pour les structures et les bandes de fréquences normées suivantes figure 4 (ordre 1) ss f : O à 0,45 figure 5 (ordre 2) f : O à 1,35 figure 6 (ordre 3) ss f :O à 4,05 Dans un second exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention, le faisceau émis par le laser est monochromatique, mais il est modulé en amplitude par un signal sinusoldal dont la fréquence varie au cours du temps en décrivant une rampe entre CO ml et oe m2 comme cela apparat dans la figure 2. L'amplitude est modulée dans la gamme comprise entre le Kilohertz et le Gigahertz. La figure 4 montre le schéma d'un tel capteur. Un laser 11 émet un faisceau monochromatique 12 modulé en amplitude par le modulateur 13 commandé par un générateur 14 ; ce faisceau 12 traverse une lame semi-réfléchissante 15, le milieu 17 à analyser, est réfléchi par la lame 15 (référence 18) et est capté par un photodétecteur 20. On recueille en 21 une mesure du niveau du signal issu du photodétecteur et en 22 une mesure de déphasage entre le signal issu du générateur 14 et celui du photodétecteur 20. On recueille après traversée du milieu et retour, l'amplitude de la modulation et son déphasage par rapport à la modulation du départ. On porte dans le diagramme de Smith l'impédance électromagnétique vue par la modulation. A titre d'exemple, si le milieu est de l'eau d'indice n = 1,33, on a la vitesse de la lumière c = 2 x 108 m/s, soit pour une modulation 5 - au KHz 1 = 2 x 10 m 2 - au MHz 1 = 2 x 10 m - au GHz l = 0,2 m. On peut disposer ainsi d'une signature du milieu traversé. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Capteur optique de turbulences ou de mélanges dans un milieu, caractérisé par le fait qu'il comporte - un laser émettant un faisceau modulable en fréquence ou en amplitude, - des moyens pour détecter les caractéristiques de phase, d'amplitude ou de fréquence du faisceau de mesure après sa propagation dans ledit milieu, - des moyens de traitement et d'identification de l'ensemble des signaux obtenus afin de définir la signature dudit milieu. 2/ Capteur optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit laser est susceptible d'émettre une longueur d'onde X et qu'il est accordable sur une largeur > , qu'une partie du faisceau émis sert de faisceau de référence et que l'autre partie, dite faisceau de mesure, traverse ledit milieu, et interfère avec ledit faisceau de référence, et que lesdits moyens de traitement tracent le diagramme de Smith correspondant pour toute la gamme de longueur d'onde 3/ Capteur optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit laser est susceptible d'émettre à une seule longueur d'onde, que son faisceau est modulé en intensité ou en amplitude, qu'une partie du faisceau émis sert de faisceau de référence, que l'autre partie, dite faisceau de mesure, traverse ledit milieu, que l'état de phase dont le signal de modulation est porteur est comparé avec celui dont le faisceau de référence est porteur, et que lesdits moyens de traitement tracent le diagramme de Smith correspondant.