Brevet FR2659787A1 — publié le 19910920

"Procédé de compensation automatique des aimantations induites par le champ magnétique terrestre dans des matériaux ferromagnétiques, notamment compris dans un bâtiment naval". La présente invention se rapporte aux procédés permettant de compenser automatiquement les aimantations induites par le champ magnétique terrestre dans des structures en matériaux ferromagnétiques. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de calcul des effets de circuit dus aux aimantations verticales, transversales et longitudinales dans des structures ferromagnétiques. Il est connu que la présence de matériaux ferromagnétiques dans un bâtiment naval rend ce bâtiment détectable par des moyens de détection de sa signature magnétique" pouvant être intégrés par exemple dans des mines ou dans d'autres bâtiments navals. La "signature magnétique" d'un bâtiment est constituée par son aimantation permanente et par son aimantation induite. L'aimantation permanente d'une structure est due aux matériaux ferromagnétiques la constituant. Celle-ci est sensiblement constante, ne fluctue qu'avec le temps et est liée à la nature du matériau utilisé. L'aimantation induite, en revanche, est essentiellement variable. Dans le cas d'un navire, elle dépend de son orientation dans le champ terrestre, de son cap et de son inclinaison due au roulis et au tangage. La signature magnétique du navire permet donc de le repérer, de le suivre, et éventuellement de guider ou de mettre à feu des engins destinés à le détruire. Il est donc très important de minimiser, voire d'annuler cette "signature magnétique" pour empêcher sa détection par méthode magnétique. Cette opération, dite "immunisation magnétique", s'effectue, de manière connue, en créant dans le volume du bâtiment un champ magnétique qui compense celui du bâtiment, afin d'annuler sa signature magnétique. Pour cela, on munit le bâtiment d'un jeu de circuits appelés "boucles d'immunisation" qui sont parcourues par des courants électriques. Les dimensions, la disposition des boucles et les courants qui y circulent sont déterminés pour minimiser au mieux la "signature magnétique" du bâtiment, quelle que soit son orientation dans le champ magnétique terrestre, c'est-à-dire quels que soient son cap et son inclinaison due au roulis et au tangage. Ces boucles d'immunisation sont réparties suivant trois directions correspondants aux axes de roulis, de lacet et de tangage, appelés de manière conventionnelle "L,M,A" ou encore ";V,T' (Longitudinal, Vertical, Transversal). Une station de mesure magnétique est utilisée pour déterminer les courants à faire circuler dans les boucles d'immunisation. Cette station mesure la signature magnétique du bâtiment et comporte par exemple deux réseaux linéaires de capteurs magnétiques. Ces réseaux sont installés au fond de la mer et alignés par exemple l'un selon une direction Nord-Sud et l'autre selon une direction Est Ouest. Une station installée à terre analyse les mesures effectuées afin de déterminer les courants à faire circuler dans les différentes boucles ainsi que leur polarité. Comme l'aimantation permanente est constante quelle que soit la position du navire et son cap, le courant à faire circuler dans chaque boucle pour compenser l'aimantation permanente est constant. Par contre, l'aimantation induite est variable et il est nécessaire de superposer aux courants déjà calculés une autre composante variable, déterminée selon le cap et la latitude du bâtiment, obtenus par exemple par des moyens de mesure gyroscopiques ou optiques. L'aimantation totale (permanente + induite) s'écrit PL + PV + PT + IV + ILcose + ITsine où: P est l'aimantation permanente, I est l'aimantation induite, L, V et T sont les trois axes suivant lesquels sont disposées les boucles d'immunisation, e représente le cap magnétique du navire. La station de mesure doit déterminer ces six composantes. Pour cela, le bâtiment parcourt deux fois le même trajet au-dessus des réseaux de capteurs magnétiques selon des caps opposés. L'aimantation permanente, liée au bâtiment, tourne avec celui-ci, alors que l'aimantation induite ne tourne pas. Pour connaître l'aimantation induite, il suffit de soustraire les résultats de mesure des deux sens opposés. Connaissant alors l'aimantation induite et l'aimantation totale, on obtient directement l'aimantation permanente. Ainsi, un passage Nord-Sud puis Sud-Nord permet de déterminer IL et un passage Est-Ouest puis Ouest-Est permet de calculer IT. Cependant, cette méthode de mesure ne permet pas de déterminer IV. La détermination de l'aimantation induite verticale est alors réalisée par des méthodes empiriques. Une de ces méthodes, utilisée dans la plupart des cas, consiste à considérer que l'aimantation induite verticale représente un certain pourcentage fixe de l'aimantation totale verticale mesurée dans un lieu donné. Cependant, cette méthode reste très approximative. De plus, certains endroits du bâtiment sont plus magnétiques que d'autres, de par la présence de machines, de moteurs, propulseurs, etc..., faussant ainsi les résultats de cette méthode d'appréciation. Une autre méthode consiste à effectuer ces réglages à deux reprises, à deux latitudes très différentes, et de réaliser des approximations sur les différences de mesures. Cette méthode présente l'inconvénient de nécessiter un long et coûteux déplacement maritime pour les bâtiments navals à immuniser magnétiquement, et suppose que tout reste égal par ailleurs. C'est pourquoi une troisième méthode est également utilisée, consistant à simuler localement un environnement de champ magnétique différent du champ magnétique terrestre et d'effectuer la différence des mesures obtenues. Cette méthode ne nécessite pas de lointain déplacement, mais implique la mise en oeuvre de dispositifs très coûteux destinés à créer ce champ magnétique différent dans l'environnement de tout un bâtiment naval. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients évoqués précédemment. Plus précisément, un premier objectif de l'invention est d'appliquer, à des bâtiments navals à structures ferromagnétiques, un procédé permettant un calcul de compensation non empirique de l'aimantation verticale induite sans infrastructure particulière. Un deuxième objectif de l'invention est de pouvoir appliquer ce calcul à la compensation des aimantations induites dans les plans horizontaux et transversaux. Un troisième objectif de l'invention est de permettre le calcul d'une telle compensation sans nécessiter un lointain déplacement du bâtiment naval et à faible coût. Un quatrième objectif de l'invention est de calculer l'aimantation à compenser que l'on connaisse ou non la position et la forme des boucles d'immunisation comprises dans un bâtiment naval. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints grâce à un procédé de compensation automatique des aimantations induites par une composante directionnelle du champ magnétique terrestre dans une structure ferromagnétique, notamment un bâtiment naval, consistant à faire circuler des courants de compensation dans au moins une boucle d'immunisation située dans un plan sensiblement perpendiculaire à ladite composante directionnelle, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - obtention, par mesure, de l'effet de circuit (EDCN)i de chacune desdites boucles d'immunisation avec noyau, à une hauteur connue Ho et pour un courant de référence donné (Ici) - obtention, par calcul, pour chacune desdites boucles (i), de son effet de circuit (EDCA)i en boucle à air, à la hauteur Ho, pour le même courant de référence Ici; - calcul des courants (Ioi) à injecter dans chacune desdites boucles d'immunisation (i) pour que la somme de leurs effets de circuit en boucle à air soit égale, au niveau de ladite structure à compenser, à ladite composante directionnelle du champ magnétique à compenser; - calcul pour l'injection des courants de référence Ioi, du champ magnétique (IM) dû à ladite aimantation induite suivant l'axe considéré d'après la formule: où k est le nombre de boucles disposées suivant le plan considéré, - optimiser, par le calcul, les courants Ii à faire circuler dans les (k) boucles entourant lesdites structures ferromagnétiques pour compenser le champ magnétique induit IM dans le plan considéré. Préférentiellement, le calcul de l'effet de circuit d'une boucle à air (EDCA) à la hauteur Ho, dans le cas où les dimensions et coordonnées de ladite boucle sont connues, est effectué par la loi de Biot et Savart avec le courant Ic. Avantageusement, dans le cas où les dimensions et coordonnées d'une boucle ne sont pas connues, le calcul de l'effet de circuit en boucle à air (EDCA) de ladite boucle d'immunisation (i), à la hauteur Ho, est effectué en supposant que ladite boucle de dimensions et coordonnées inconnues est équivalente à une boucle de géométrie simple donnée, par exemple de type polygonal ou elliptique, et en optimisant les dimensions, les coordonnées et le courant de ladite boucle équivalente de façon que le coefficient de corrélation entre l'effet de circuit en boucle à air de ladite boucle équivalente et l'effet de circuit mesuré pour ladite boucle de dimensions et coordonnées inconnues soit le plus grand possible. Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, ledit calcul des courants (in') constitue une optimisation, notamment au sens des moindres carrés, d'un champ équivalent à un champ généré par une boucle fictive entourant un bâtiment naval comprenant lesdites structures, dont le courant est tel que le champ au centre de ce circuit est égal à la composante directionnelle du champ magnétique terrestre à compenser. Préférentiellement, l'optimisation des courants (r) à faire circuler dans les (k) boucles entourant lesdites structures ferromagnétiques est réalisée par minimisation de: et par l'envoi des courants (r) dans les boucles de compensation (i) entourant lesdites structures. Avantageusement, le procédé est appliqué à la compensation des aimantations induites dans les directions verticale, transversale et/ou longitudinale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente les trois directions de disposition des boucles d'immunisation dans un navire - la figure 2A représente l'effet de circuit d'une boucle avec noyau; - la figure 2B représente l'effet de circuit de la même boucle sans noyau; - la figure 3A représente un exemple de disposition de boucles "V" dans un navire - la figure 3B représente une coupe selon AA de la figure 3A; - la figure 4 représente une compensation d'une aimantation induite de structures métalliques à l'aide de plusieurs boucles. - la figure 5 est un organigramme représentant le procédé de calcul selon l'invention pour une compensation du champ magnétique à l'aide de k boucles. La figure 1 représente les trois directions de disposition des boucles d'immunisation dans un bâtiment naval. Le bâtiment 1 comprend des structures ferromagnétiques entourées par des boucles 2, 3, 4 d'immunisation. Ces boucles sont disposées dans trois plans distincts. Une boucle 2 sert à compenser l'aimantation longitudinale et est couramment appelée boucle "L", une autre boucle 3 sert à compenser l'aimantation verticale et est notée "V" et la troisième boucle 4 qui a pour fonction de compenser l'aimantation transversale est notée "tut'. Une boucle est caractérisée par ses coordonnées (x,y,z) par rapport à un point donné, par ses dimensions, par sa résistance, par sa forme, par le courant maximal pouvant la traverser, et par le nombre de tours disponibles. Bien entendu, la disposition de la figure 1 n'est qu'indicative, l'immunisa tion de toutes les structures ferromagnétiques comprises dans un navire impliquant la disposition de nombreuses boucles dans les différents plans autour des structures à compenser. La présente invention a notamment pour objectif de compenser l'aimantation induite verticale à l'aide d'au moins une boucle "V" 3 disposée dans un plan parallèle à la surface de flottaison du bâtiment 1. On explique maintenant le principe du procédé. La figure 2A représente l'effet de circuit d'une boucle avec noyau ferromagnétique noté EDCN. Une structure ferromagnétique 20 est entourée par une seule boucle 22 dont le centre 21 est également le barycentre de la structure. Un effet de circuit est une mesure de la différence des champs magnétiques mesurés avec le circuit alimenté d'une part et le circuit non alimenté d'autre part. L'effet de circuit de la boucle 22 est mesuré pour un courant continu Ic 23 d'intensité connue et on obtient une courbe 25 représentative du vecteur 24 de champ magnétique lié à l'aimantation induite dans le noyau par la boucle 22. Pour obtenir le champ magnétique dû à l'aimantation induite dans la structure 20 par la boucle 22, il faut connaître l'effet de circuit de la boucle 22 seule, sans le noyau 20, noté EDCA. Une telle boucle est appelée boucle à air. La figure 2B représente l'effet de circuit d'une boucle à air. Deux cas sont à considérer : si les coordonnées et dimensions de la boucle sont connues, on reprend exactement cette boucle et on calcule son effet de circuit sans noyau. Si les caractéristiques de la boucle sont inconnues, on optimise les caractéristiques d'une boucle à géométrie simple. Dans le cas où les coordonnées et les dimensions de la boucle sont connues, on calcule l'effet de circuit de la boucle sans noyau, cet effet de circuit ne pouvant être mesuré. On le calcule donc en connaissant la géométrie de la boucle 22, sa position dans le bâtiment pour le courant Ic 23 et la distance à laquelle la mesure de l'effet de circuit de la boucle avec noyau a été effectuée. Ce calcul est par exemple effectué au moyen de la loi de Biot et Savart, permettant d'obtenir l'effet de circuit 26 de la boucle à air recherché, soit (EDCN)k - (EDCA)Ice Le champ magnétique à compenser est égal à la différence entre l'effet de circuit mesuré avec la structure à compenser et l'effet de circuit de la boucle à air. Pour obtenir ce champ, de manière à ce qu'il soit égal à celui créé par la composante verticale du champ magnétique terrestre, il suffit d'injecter un courant Io tel que l'effet de circuit de la boucle à air soit égal, au niveau de la structure à compenser, à la composante verticale du champ magnétique terrestre. On approxime alors le champ magnétique induit vertical noté IVM par [(EDCN)k - (EDCA)kj x Io/Ic. Le champ magnétique induit par le courant Io circulant dans la boucle 22 entourant la structure 20 à compenser, compense donc le champ magnétique terrestre et rend la structure ferromagnétique invisible aux systèmes de détection basés sur ce principe, en créant dans l'environnement de la structure un champ magnétique total approximativement nul. Cette approximation est d'autant plus exacte que la boucle est grande par rapport à la structure à compenser. Dans le cas où les coordonnées et les dimensions de la boucle ne sont pas connues, par exemple dans le cas de bâtiments anciens dont on ne dispose pas de plans précis indiquant la disposition des boucles existantes, il est nécessaire d'approximer la taille et les coordonnées de cette boucle. L'effet de circuit de la boucle à air est alors estimé en supposant que son effet de circuit mesuré avec noyau est équivalent à l'effet de circuit du même circuit sans noyau, mais avec un courant d'intensité différente. On admet également que la boucle peut être réduite à une boucle de géométrie simple, par exemple polygonale ou elliptique. Les paramètres de la boucle à air, à savoir l'intensité du courant IcA, les coordonnées du centre et les dimensions sont optimisées de façon à reproduire le champ de l'effet de circuit (EDCN)IC mesuré à une hauteur Ho pour un courant Ic connu. Cette optimisation consiste notamment à faire varier les coordonnées du centre de la boucle (x,y,z) et ses dimensions, de telle sorte que le coefficient de corrélation entre (EDCN);C mesuré et EDCA calculé soit de 1. Elle peut par exemple être réalisée par la méthode des moindres carrés. On obtient: (EDCA) A = (EDCN) Ic Puisque Ic (EDCA) = (EDCA) x , il vient: (EDCA)IC # (EDCN)Ic x IcA On obtient également, par cette optimisation, la géométrie de la boucle et on se retrouve ramené au cas précédent pour obtenir le courant Io. Connaissant (EDCN)Ic, (EDCA)k, Io et Ic, on obtient l'IVM comme précédemment. Comme indiqué précédemment, un bâtiment naval comporte plusieurs boucles d'immunisation, notamment des boucles "V" et la figure 3A représente un exemple de dispositions de boucles "V" dans un navire. Les boucles d'immunisation 31,32,33,34,35 sont situées à différentes hauteurs dans le navire 30. La boucle 36 est une boucle fictive représentant l'ensemble des boucles 31 à 35. Dans la suite de la description, i est l'indice se rapportant à une boucle. Les effets de circuits (EDCN)t sont mesurés sur station lors des réglages du bateau pour des courants Ici et pour les circuits dans le plan horizontal. S'il y a k circuits "vu", d'après les enseignements précédents, le champ IVM vaut: Puisque (EDCN)t et Ici sont connus, il reste à calculer EDCAi et Io pour les k circuits. Si l'implantation et la géométrie des boucles "V" sont connus, les (EDCA) sont calculés comme décrit précédemment. Les courants Ioi sont calculés en optimisant, au sens des moindres carrés par exemple, ces courants pour générer avec les boucles à air un champ équivalent au champ généré par la boucle fictive 36 entourant le bâtiment parcourue par un courant tel qu'il crée au centre un champ égal à la composante verticale du champ terrestre. La position verticale de cette boucle 36 est située préférentiellement au barycentre magnétique des pièces ferromagnétiques ou bien si cette position est inconnue à la moyenne des hauteurs des circuits "V" ou bien encore à la ligne de flottaison pour un bateau de surface. Si l'implantation et la géométrie des boucles "V" ne sont pas connues, les (EDCA)i sont obtenus comme décrit précédemment ainsi que les Ioi en se ramenant au cas précédent. Le champ magnétique induit vertical IVM étant obtenu, les courants I à faire passer dans les boucles sont obtenus par exemple par minimisation de: Le procédé peut être étendu aux compensations des champs induits transversal ('T') et longitudinal ("L") en appliquant l'invention aux circuits d'immunisation dans le plan vertical suivant l'axe du bâtiment et aux circuits d'immunisation dans les plans verticaux perpendiculaires à l'axe du bâtiment. Le réglage de tous les circuits d'immunisation ne nécessite donc plus qu'un seul passage du bâtiment à un cap quelconque connu. La figure 4 représente un exemple de compensation d'une aimantation induite de structures métalliques comprises dans un bâtiment à l'aide de plusieurs boucles ("V", 'T' et/ou "L"). Le bâtiment comprend sur cet exemple cinq boucles entre sa proue 40 et sa poupe 41. Les effets de circuit 42,43,44,45 et 46 ont pour fonction de compenser la signature magnétique 47 du bâtiment. Comme les champs magnétiques induits dans les structures ferromagnétiques évoluent avec le cap du bâtiment et sa situation géographique, il est nécessaire de compenser de façon continue ces champs magnétiques qu'ils soient longitudinaux, transversaux ou verticaux. C'est pourquoi le bâtiment en question est équipé, fixé sur un mât 5 rigide et solidaire du bâtiment 1, d'un magnétomètre triaxial 6,7,8 suffisamment éloigné du bâtiment pour que celui-ci n'ait pas d'influence sur les mesures effectuées. Le magnétomètre triaxial 6,7,8 donne des informations relatives aux champs magnétiques mesurés sur les trois axes : transversal, longitudinal et vertical. Ces informations sont transmises à une unité de traitement permettant d'obtenir les courants Ii à faire circuler dans les différentes boucles du bâtiment 1, comme il vient d'être décrit. Ainsi, la compensation des différentes composantes du champ magnétique terrestre est réalisée de façon continue en fonction du cap, de l'orientation et de l'inclinaison du navire Il va de soi, que plus le nombre de boucles est élevé, meilleure sera la compensation et que cette compensation impose la connaissance des différents effets de circuit de chacune des boucles. La figure 5 est un organigramme représentant le procédé de calcul selon l'invention pour une compensation du champ magnétique à l'aide de k boucles. La première manipulation 50 à effectuer est de mesurer (EDCN)i c'est à dire l'effet de circuit d'une boucle i (avec noyau) pour toutes les boucles comprises dans un plan du bâtiment comprenant des structures ferromagnétiques dont on veut compenser les aimantations. Cette mesure de (EDCN)' est réalisée pour un courant Ic' donné. L'étape 51 suivante est une étape de test consistant à poser la question si les coordonnées du centre, la dimension et l'implantation de la boucle i sont connues. Si la réponse est oui, l'étape 52 consiste à calculer (EDCA)i c'est à dire l'effet de circuit de la boucle i sans noyau, par exemple avec la loi de Biot et Savart et le courant Ioi. Si la réponse est non, l'étape 53 consiste à approximer la géométrie de la boucle i de telle sorte que le coefficient de corrélation entre (EDCN)i mesuré et (EDCA)i calculé, soit de 1. On obtient (EDCA)i puis Ioi. Une fois (EDCA) calculé, l'étape 54 consiste à calculer le champ magnétique induit IM dans le plan considéré suivant: pour toutes les k boucles se trouvant dans un même plan ("L", "V" ou L'étape 55 suivante consiste à calculer les courants Ii à faire passer dans les k boucles par minimisation de pour compenser le champ magnétique induit IM dans le plan considéré. De nombreuses autres applications de l'invention sont envisageables, qui apparaîtront aisément à l'homme de métier. REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation automatique des aimantations induites par une composante directionnelle du champ magnétique terrestre dans une structure ferromagnétique, notamment un bâtiment naval, consistant à faire circuler des courants de compensation dans au moins une boucle d'immunisation située dans un plan sensiblement perpendiculaire à ladite composante directionnelle, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - obtention, par mesure (50), de l'effet de circuit (EDCN)i de chacune desdites boucles d'immunisation avec noyau, à une hauteur connue Ho et pour un courant de référence donné (Ici) - obtention, par calcul (52,53), pour chacune desdites boucles (i), de son effet de circuit (EDCA)1 en boucle à air, à la hauteur Ho, pour le même courant de référence (Ici) - calcul des courants (ici) à injecter dans chacune desdites boucles d'immunisation (i) pour que la somme de leurs effets de circuit en boucle à air soit égale, au niveau de ladite structure à compenser, à ladite composante directionnelle du champ magnétique à compenser; - calcul (54) pour l'injection des courants de référence Ioi, du champ magnétique (IM) dû à ladite aimantation induite suivant l'axe considéré d'après la formule: où k est le nombre de boucles disposées suivant le plan considéré, - optimiser (55), par le calcul, les courants Ii à faire circuler dans les (k) boucles entourant lesdites structures ferromagnétiques pour compenser le champ magnétique induit IM dans le plan considéré. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le calcul (52) de l'effet de circuit d'une boucle à air (EDCA) à la hauteur Ho, dans le cas où les dimensions et coordonnées de ladite boucle sont connues, est effectué par la loi de Biot et Savart avec le courant Ic. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans le cas où les dimensions et coordonnées d'une boucle ne sont pas connues, le calcul (53) de l'effet de circuit en boucle à air (EDCA)1 de ladite boucle d'immunisation (i), à la hauteur Ho, est effectué en supposant que ladite boucle de dimensions et coordonnées inconnues est équivalente à une boucle de géométrie simple donnée, par exemple de type polygonal ou elliptique, et en optimisant les dimensions, les coordonnées et le courant de ladite boucle équivalente de façon que le coefficient de corrélation entre l'effet de circuit en boucle à air de ladite boucle équivalente et l'effet de circuit mesuré pour ladite boucle de dimensions et coordonnées inconnues soit le plus grand possible. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit calcul des courants (Ioi) constitue une optimisation, notamment au sens des moindres carrés, d'un champ équivalent à un champ généré par une boucle fictive entourant un bâtiment naval comprenant lesdites structures, dont le courant est tel que le champ au centre de ce circuit est égal à la composante directionnelle du champ magnétique terrestre à compenser. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'optimisation (55) des courants (il) à faire circuler dans les (k) boucles entourant lesdites structures ferromagnétiques est réalisée par minimisation de et par l'envoi des courants (f) dans les boucles de compensation (i) entourant lesdites structures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est appliqué à la compensation des aimantations induites dans les directions verticale, transversale et/ou longitudinale.