Brevet FR2709556A1 — publié le 19950310

PROCEDE DE DETERMINATION A DISTANCE DE LA VITESSE TRIDI- MENSIONNELLE D'UN FLUIDE TEL QUE L'AIR OU L'EAU L'invention concerne un procédé de détermina- tion à distance de la vitesse tridimensionnelle d'un fluide tel que l'air ou l'eau, au moyen d'un réseau de transducteurs acoustiques utilisés comme émetteurs et comme récepteurs. Il est déjà connu d'utiliser un réseau plan de transducteurs acoustiques agencés en rangées et en co- lonnes et orientés dans une même direction perpendicu- laire au plan du réseau, pour émettre des signaux acous- tiques dans des directions différentes et recevoir les signaux rétro-diffusés par le fluide. Le principe de com- mande et de fonctionnement d'un réseau de ce type est déjà décrit notamment par le Brevet US-3 448 450 dans le cas d'un radar, par le Brevet Français 2 499 252 dans le cas d'un sonar, et par le Brevet US 4 558 594 dans le cas d'un sodar ou "radar" acoustique pour la détermination de la vitesse du vent dans l'atmosphère. Dans les dispositifs de ce type, il est clas- sique d'émettre des signaux de fréquence constante connue dans une direction déterminée, puis de capter les signaux rétrodiffusés dans cette direction, de déterminer leur fréquence et de déduire la vitesse du fluide dans la direction précitée à partir de l'écart entre la fréquence des signaux émis et celle des signaux captés (effet Dop- pler). On peut ainsi, en émettant et en captant des si- gnaux acoustiques successivement dans trois directions différentes, déterminer des vitesses tridimensionnelles du vent dans l'atmosphère ou de l'eau dans un courant ma- rin par exemple. L'invention a notamment pour but d'augmenter largement les performances des sodars ou sonars du type à réseau de transducteurs acoustiques, grâce à un procédé permettant d'améliorer la précision des mesures, d'augmenter la portée maximale des sodars ou sonars, et simultanément de réduire les durées totales d'acquisition de signaux. Elle propose à cet effet un procédé de déter- mination à distance de la vitesse tridimensionnelle d'un fluide tel que l'air ou l'eau, consistant à émettre des signaux acoustiques de fréquence déterminée dans au moins trois directions différentes au moyen d'un réseau de transducteurs, à capter au moyen des mêmes transducteurs les signaux acoustiques rétrodiffusés par le fluide, et à déterminer les vitesses du fluide dans les directions précitées à partir des décalages de fréquence entre les signaux émis et les signaux captés, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre un train de signaux ayant des durées déterminées et des fréquences différentes dé- terminées dans l'une des directions précitées, puis dans une autre de ces directions et ainsi de suite jusqu'à ce que ce train de signaux ait été émis successivement dans chacune des directions précitées, puis à capter simulta- nément tous les signaux rétrodiffusés, à traiter simulta- nément les signaux captés pour obtenir pour chaque di- rection précitée des spectres de fréquence se succédant dans le temps, et à en déduire des vitesses de fluide à des distances différentes dans chaque direction précitée. La durée totale de réception des signaux ré- trodiffusés, pour une portée déterminée, est ainsi ré- duite d'un facteur égal au nombre de directions d'émission par rapport au cas o l'on émet et on reçoit les signaux d'abord dans une direction, puis dans une autre direction et ainsi de suite. Cet avantage devient particulièrement important dès que l'on émet dans plus de trois directions, et par exemple dans cinq directions. De plus, l'utilisation de plusieurs fréquences d'émission permet d'obtenir une précision de mesure don- née avec un rapport signal sur bruit plus faible, par exemple de 15 à 20 dB lorsqu'on utilise cinq fréquences d'émission, ce qui a également pour conséquence une aug- mentation de la portée maximale de détection. En outre, l'émission des signaux d'abord dans une direction, puis dans une autre etc, permet d'émettre à pleine puissance dans chaque direction. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le traitement précité des signaux captés consiste essentiellement à les amplifier, à les numériser, à les combiner entre eux pour obtenir des signaux par direction d'émission, et à appliquer à ces derniers des transformées de Fourier rapides. Un tel traitement est essentiellement numé- rique et est réalisable à vitesse très élevée sur des systèmes classiques de traitement de l'information. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le traitement précité des signaux consiste essentiellement à les amplifier, à les numériser, à leur appliquer des transformées de Fourier rapides et à les combiner entre eux pour obtenir des signaux correspondant aux directions d'émission. Dans encore un autre mode de réalisation de l'invention, ce traitement consiste essentiellement à les amplifier, à les combiner entre eux pour obtenir des si- gnaux analogiques correspondant aux directions d'émission, puis à numériser les signaux ainsi obtenus et à leur appliquer des transformées de Fourier rapides. Le procédé selon l'invention consiste égale- ment à vérifier la compatibilité des vitesses obtenues aux différentes fréquences d'émission et dans des direc- tions symétriques d'émission pour éliminer des résultats erronés ou aberrants, ce qui contribue à l'obtention d'une précision donnée avec un rapport signal sur bruit plus faible. Pour que le procédé soit applicable aux me- sures effectuées à des distances faibles, l'invention prévoit également de permuter l'ordre d'émission des si- gnaux de fréquences différentes, et l'ordre des direc- tions d'émission. Dans un mode de réalisation particulier, l'invention prévoit d'émettre des trains de signaux à cinq fréquences différentes successivement dans cinq di- rections différentes. La redondance d'informations résultant de l'émission de cinq fréquences dans cinq directions contribue à l'amélioration de la précision des mesures et à l'augmentation de la portée maximale de la détection. Par ailleurs, le mode de commande d'un réseau plan de transducteurs acoustiques reste simple quand on émet dans cinq directions différentes comprenant la perpendiculaire au plan du réseau et quatre autres directions deux à deux symétriques par rapport à cette perpendiculaire. L'invention est applicable aussi bien à la dé- tection de la vitesse du vent dans l'atmosphère (système sodar) qu'à la détection de la vitesse des courants ma- rins à différentes profondeurs (système sonar). L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un ré- seau plan de transducteurs acoustiques pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 est un graphe illustrant schémati- quement l'émission et la réception de signaux acoustiques dans le cadre du procédé selon l'invention; la figure 3 représente schématiquement une chaîne de traitement des signaux rétrodiffusés captés par les transducteurs acoustiques. On a représenté schématiquement en figure 1, à titre d'exemple, un réseau plan de transducteurs acous- tiques 10, qui sont agencés en rangées et en colonnes et qui sont tous orientés dans une même direction perpendi- culaire au plan du dessin. Ces réseaux de transducteurs sont maintenant bien connus dans la technique, ainsi que leur principe de commande et de fonctionnement. De façon résumée, pour émettre successivement dans des directions différentes, on alimente des lignes de transducteurs 10 par des signaux de fréquence détermi- née qui sont déphasés par exemple de 90 d'une ligne de transducteurs à l'autre, ce qui détermine une première direction d'émission, puis on alimente ces mêmes lignes de transducteurs 10 avec des signaux de même fréquence, mais déphasés de 90 en sens inverse d'une ligne à l'autre, ce qui se traduit par l'émission dans une direc- tion symétrique de la première par rapport à la perpendi- culaire au plan du dessin, puis on alimente des colonnes de transducteurs 10 par des signaux de même fréquence mais déphasés de 90 d'une colonne à la suivante et ainsi de suite, et pour finir on alimente tous les transduc- teurs 10 par des signaux de même fréquence en phase pour obtenir une émission dans une direction perpendiculaire au plan du dessin. On peut ainsi émettre dans cinq directions différentes, l'une de ces directions étant perpendicu- laire au plan du dessin, les autres directions étant sy- métriques deux à deux par rapport à la première direction et contenues dans des plans perpendiculaires qui se cou- pent sur la première direction. Cette technique est bien connue de l'homme du métier et décrite dans les documents antérieurs cités plus haut. De façon similaire, les signaux rétrodiffusés qui sont captés par les transducteurs 10 sont traités comme les signaux d'émission, mais à l'inverse: les si- gnaux de sortie des transducteurs 10 sont combinés entre eux après avoir été déphasés de 90 les uns par rapport aux autres d'une ligne à la suivante ou d'une colonne à la suivante, leur combinaison ou sommation permettant d'obtenir simultanément autant de signaux de réception que de directions d'émission. Pour mieux faire comprendre les caractéris- tiques essentielles de l'invention, on se référera main- tenant à la figure 2, qui est un graphe représentant schématiquement l'émission de signaux acoustiques de fré- quences différentes dans des directions différentes et la réception des signaux rétrodiffusés, par exemple par l'atmosphère, le temps t étant porté en abscisse et l'altitude z en ordonnée. Le graphe de la figure 3 cor- respond au cas simplifié o l'on émet des signaux de trois fréquences différentes fl, f2, f3 successivement dans trois directions différentes Dl, D2, D3. Le procédé selon l'invention consiste à émettre, dans la direction Dl, d'abord un signal de fré- quence fl pendant une durée déterminée, puis un signal de fréquence f2 pendant la même durée et ensuite un signal de fréquence f3 pendant la même durée, à émettre ensuite dans la direction D2 le signal de fréquence fl pendant la durée précitée, puis le signal f2 pendant la même durée et ensuite le signal de fréquence f3 pendant la même du- rée et enfin à émettre dans la direction D3 le signal de fréquence fl pendant la durée précitée, puis le signal de fréquence f2 pendant la même durée et ensuite le signal de fréquence f3 pendant la même durée. Les durées de ces signaux ne sont pas nécessairement égales et peuvent être quelconques. Ces signaux se déplacent dans l'atmosphère à une vitesse de l'ordre de 300 m par seconde et sont par- tiellement rétrodiffusés par l'atmosphère. Les signaux rétrodiffusés sont captés par les transducteurs 10, la réception de ces signaux ayant lieu après les émissions de signaux à toutes les fréquences dans toutes les direc- tions déterminées, et commençant un certain laps de temps après la fin des émissions, ce laps de temps relativement faible correspondant à des commutations de circuits et déterminant une altitude minimale zO de mesure. Si l'on désigne par tl le début de la réception, on voit que l'on reçoit dans l'intervalle tl-t2 les signaux qui ont été émis à la fréquence f3 dans la direction D3 et qui ont été rétrodiffusés par la tranche d'altitude zO-z2, les signaux qui ont été émis à la fréquence f2 dans la direc- tion D3 et qui ont été rétrodiffusés par la tranche d'altitude zl-z3, les signaux qui ont été émis à la fré- quence fi dans la direction D3 et qui ont été rétrodiffu- sés par la tranche d'altitude z2-z4, et ainsi de suite, et finalement des signaux qui ont été émis à la fréquence fl dans la direction Dl et qui ont été rétrodiffusés par la tranche d'altitude zS-z10. On constate également que pour la tranche d'altitude z0-z2, on reçoit pendant l'intervalle de temps tl-t2 uniquement le signal qui a été émis à la fréquence f3 dans la direction D3 et qui a été rétrodiffusé par la tranche d'altitude z0-z2, et qu'on ne reçoit pour cette tranche ni les signaux émis aux fréquences fl et f2 dans la direction D3, ni les signaux émis dans les directions Dl et D2. Pour la tranche d'altitude zl-z3 centrée en z2, on reçoit pendant l'intervalle de temps tl-t2 le si- gnal émis à la fréquence f2 dans la direction D3, et pen- dant l'intervalle de temps t2-t3 le signal émis à la fré- quence f3 dans la direction D3. Pour la tranche d'altitude z8-z10 centrée en z9, on peut capter pendant l'intervalle de temps tl-tlO tous les signaux de fréquence fl, f2 et f3 émis dans les directions Dl, D2 et D3 et qui ont été rétrodiffusés par cette tranche. On dispose ainsi, à partir de cette tranche d'altitude et pour chaque tranche d'altitude supérieure, de trois fréquences différentes émises dans trois directions différentes, et donc de neuf infor- mations sur la vitesse du vent à une altitude donnée. Dans le cas o l'on émet des trains de signaux de cinq fréquences différentes dans cinq directions dif- férentes, c'est à partir de la tranche d'altitude z24-z26 centrée en z25 (non représentée) que l'on peut recueillir 25 informations sur la vitesse du vent à une altitude donnée. L'invention prévoit également de permuter, à intervalles réguliers ou non, l'ordre d'émission des fré- quences et l'ordre des directions d'émission. On peut ainsi obtenir davantage d'informations aux altitudes faibles et par exemple disposer de signaux rétrodiffusés provenant des signaux émis aux fréquences fl, f2 et f3 dans les directions Dl, D2 et D3 pour des altitudes qui sont inférieures à la tranche z8-z10 dans le cas repré- senté en figure 2. On fera maintenant référence à la figure 3 pour décrire un mode de traitement des signaux de sortie des transducteurs 10, représentant les signaux acous- tiques rétrodiffusés par l'atmosphère à des altitudes différentes et dans des directions différentes. Dans le réseau de transducteurs 10 de la fi- gure 1, qui comprend 52 transducteurs, ces derniers sont groupés en 16 sous-ensembles, de façon connue, pour faci- liter le pilotage du réseau de transducteurs. Ce sont ces sous-ensembles de transducteurs 10 qui captent les si- gnaux rétrodiffusés par l'atmosphère et qui produisent les signaux de sortie qui sont appliqués à la chaîne de traitement de la figure 2. Cette chaîne de traitement comprend 16 voies en parallèle, dont chacune reçoit le signal de sortie S d'un sous-ensemble de transducteurs 10, ce signal étant d'abord transmis à un amplificateur 12 dont la sortie est reliée à des moyens 14 de conversion analogique-numé- rique, tels par exemple que des moyens d'échantillonnage. On traite ensuite les signaux numériques en 16 par des transformées de Fourier rapides pour avoir accès aux fréquences de ces signaux. Les résultats de ces transformations sont en- suite traités en 18 par un logiciel de combinaison de si- gnaux, qui, comme indiqué plus haut, combine ces signaux par déphasage et sommation d'une façon similaire à ce qui a été fait pour l'émission de signaux de fréquences dif- férentes dans des directions différentes, afin d'obtenir en sortie des spectres de fréquence 20 correspondant cha- cun à une direction d'émission. En variante, les signaux amplifiés en 12 peu- vent être combinés entre eux pour fournir des signaux correspondant aux différentes directions d'émission, avant ou après leur numérisation en 14 et avant qu'on les traite par des transformées de Fourier rapides. Dans le cas o l'on émet trois fréquences dif- férentes successivement dans chaque direction d'émission, chaque spectre de fréquence 20 comprend trois fréquences correspondant chacune à une tranche d'altitude diffé- rente. Les signaux de fréquences qui sont ainsi suc- cessivement obtenus dans le temps sont ensuite rassemblés par tranche d'altitude et par direction d'émission. Par comparaison de ces fréquences aux fréquences d'émission, on obtient des décalages de fréquence qui sont dûs aux effets Doppler de la vitesse de l'air dans des directions données et pour des tranches d'altitude déterminées. On obtient donc ainsi finalement les compo- santes tridimensionnelles de la vitesse de l'air à des tranches d'altitude différentes. Dans tous les cas, on vérifie à la fin du traitement si les vitesses obtenues aux différentes fré- quences sont compatibles entre elles. Cette comparaison porte sur les vitesses obtenues aux différentes fré- quences d'émission pour une même direction d'émission, et également sur les composantes horizontales des vitesses obtenues pour des directions d'émission symétriques par rapport à la verticale. Pour fixer les idées, on va indiquer ci-des- sous, à titre d'exemple, les caractéristiques essen- tielles de trois dispositifs dans lesquels le procédé se- lon l'invention est mis en oeuvre: - le premier dispositif est un sodar de mesure de la vitesse de l'atmosphère entre une altitude minimum de l'ordre de 20 m et une altitude maximum comprise entre 1 et 2 km environ. On émet avec ce dispositif cinq si- gnaux de fréquences différentes successivement dans cinq directions différentes, la durée d'émission de chaque si- gnal est de l'ordre de 200 ms, la puissance acoustique d'émission est typiquement comprise entre 2 et 80 W, et les fréquences d'émission sont centrées sur 2100 Hz et diffèrent les unes des autres de 75 Hz. La durée totale d'émission dans les cinq directions différentes est donc de l'ordre de 5 secondes, la durée de réception étant de l'ordre de 10 secondes. La durée de traitement des si- gnaux de sortie des transducteurs est de l'ordre d'une dizaine de secondes et varie avec la portée du disposi- tif. En pratique, les cycles émission-réception sont ré- pétés sur quelques minutes, pour fournir des valeurs moyennes des mesures. - le deuxième dispositif est également un so- dar pour la mesure de la vitesse de l'air entre une alti- tude minimum de 60 m environ et une altitude maximum com- prise entre 3 et 5 km environ. Ce dispositif émet cinq signaux de fréquences différentes successivement dans cinq directions différentes, la durée d'émission de chaque signal étant d'environ 600 ms, sa puissance d'environ 200-300 W, les fréquences des signaux d'émission étant centrées sur 700 Hz et séparées les unes des autres de 25 Hz environ. La durée totale d'émission dans les cinq directions différentes est donc de l'ordre de 15 secondes, la durée de réception étant de l'ordre de secondes. - le troisième dispositif est un sonar pour la mesure de la vitesse de l'eau à des profondeurs comprises entre 20 m environ et 1 à 2 km environ. Ce dispositif émet cinq signaux de fréquences différentes successive- ment dans cinq directions différentes, la durée d'émission de chaque signal étant de 40 ms environ, sa puissance de quelques W à plusieurs centaines de W, les fréquences d'émission étant centrées sur 40 kHz en étant séparées les unes des autres de 500 Hz environ. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination à distance de la vitesse tridimensionnelle d'un fluide tel que l'air ou l'eau, consistant à émettre des signaux acoustiques de fréquence déterminée dans au moins trois directions différentes au moyen d'un réseau de transducteurs (10), à capter au moyen des mêmes transducteurs les signaux acoustiques rétrodiffusés par le fluide, et à déterminer les vitesses du fluide dans les directions précitées à partir des décalages de fréquence entre les signaux émis et les signaux captés, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre un train de signaux ayant des durées déterminées et des fréquences différentes déterminées dans une direc- tion Dl précitée puis dans une autre D2 de ces directions et ainsi de suite jusqu'à ce que ce train de signaux ait été émis successivement dans chacune des directions pré- citées, puis à capter tous les signaux rétrodiffusés, à traiter simultanément les signaux captés pour obtenir pour chaque direction précitée des spectres de fréquence (20) se succédant dans le temps, et à en déduire des vi- tesses de fluide à des distances différentes dans chaque direction précitée. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le traitement des signaux captés consiste essentiellement à les amplifier, à les numériser, à les combiner entre eux pour obtenir des signaux correspondant aux directions d'émission, et à leur appliquer des trans- formées de Fourier rapides. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le traitement des signaux captés consiste essentiellement à les amplifier, à les numériser, à leur appliquer des transformées de Fourier rapides et à les combiner entre eux pour obtenir des signaux correspondant aux directions d'émission. 4. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le traitement des signaux captés consiste essentiellement à les amplifier, à les combiner entre eux pour obtenir des signaux analogiques correspondant aux directions d'émission, puis à numériser les signaux ainsi obtenus et à leur appliquer des transformées de Fourier rapides. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste, pour des mesures de vitesses à des distances faibles, à permuter l'ordre d'émission des signaux de fréquences différentes et l'ordre des directions d'émission. 6. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à vérifier la compatibilité des vitesses obtenues aux différentes fré- quences d'émission pour une direction d'émission, et pour des directions d'émission symétriques par rapport à la verticale. 7. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le nombre de fréquences différentes émises est au moins égal à 3. 8. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre suc- cessivement dans cinq directions différentes des trains de signaux à cinq fréquences différentes. 9. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le fluide étant de l'air atmosphérique, les signaux émis ont des durées de l'ordre de 200 ms et des fréquences d'émission séparées d'environ Hz, la gamme des fréquences d'émission étant centrée sur une valeur de 2,1 kHz environ. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide étant de l'air atmo- sphérique, les signaux émis ont des durées de l'ordre de 600 ms et des fréquences séparées de 25 Hz environ, la gamme de fréquences d'émission étant centrée sur une va- leur d'environ 700 Hz. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide étant de l'eau, les signaux émis ont des durées de l'ordre de 40 ms et des fréquences séparées de 500 Hz, la gamme de fréquences d'émission étant centrée sur une valeur de 40kHz environ.