Brevet FR2720500A1 — publié le 19951201

Procédé et dispositif de mesure de l'amplitude et de la fréquent des ondes de gravité ou de mouvements d'interface La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de la surface d'un fluide ou solide en mouvement, et en particulier, de mesure de l'amplitude et de la fréquence des ondes de gravité se propageant dans des fluides en mouvement, en particulier, en bassins d'essais hydrodynamiques. Les ondes de gravité sont des ondes superficielles dans les liquides qui se propagent avec un transport d'énergie. Ces ondes induisent sur les corps présents dans le liquide (par exemple des bâtiments de surface, des sous-marins, etc.) des efforts alternatifs qui, à leur tour, provoquent des mouvements alternatifs de ces corps. Afin de pouvoir correler les mouvements à l'excitation qui les induit, il est nécessaire de mesurer avec précision les caractéristiques de cette excitation, c'est-à-dire l'amplitude et la fréquence des ondes incidentes. Divers systèmes ont été développés pour répondre à ce problème. Parmi ceux-ci, on peut citer les sondes résistives, les sondes capacitives ou les sondes à pointe asservie. Ces sondes présentent encore de nombreux inconvénients devant être résolus. En effet, généralement, la surface libre au voisinage du point de mesure est déformée du fait que la sonde est en contact avec le liquide. L'imprécision qui en résulte, tolérable lorsque le support de la sonde est maintenu fixe dans l'espace, peut devenir inacceptable lorsque ce support est soumis à une translation parallèle au plan moyen de la surface libre. Ceci est le cas notamment lorsque les sondes sont embarquées sur un bateau ou sont installées sur une plate-forme en translation dans un bassin de traction. L'erreur est d'autant plus grande que la vitesse de translation est plus élevée. En outre, la plage verticale de la mesure peut être limitée. Ainsi, dans le cas des sondes à pointe asservie, qui sont à priori moins sensibles que les sondes résistives ou capacitives au problème décrit ci-dessus (erreur due à la vitesse d'avancement), la plage verticale de la mesure est d'autant plus faible que la fréquence des ondes est plus élevée, défaut inhérent au fait qu'il s'agit d'un système mécanique. Les ondes d'amplitude et de fréquence élevées ne sont donc pas mesurables par ce deuxième type de sonde. Le but de la présente invention est donc de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif et un procédé de mesure d'ondes de gravité fondés sur un principe optique de telle sorte que la surface libre du fluide n'est plus altérée par la mesure et que les mesures peuvent être réalisées sur des ondes dont l'amplitude et la fréquence sont à priori quelconques. L'invention concerne à cet effet un procédé d'analyse de la surface d'un fluide ou solide en mouvement, et en particulier, de mesure de l'amplitude et de la fréquence des ondes de gravité se propageant dans des fluides en mouvement,en particulier, en bassins d'essais hydrodynamiques, caractérisé en ce qu'on choisit un plan de référence (P), tel que notamment une paroi latérale du bassin, coupant la surface libre du fluide en mouvement de manière à former deux zones de luminosités différentes, l'une (B) correspondant au fluide en mouvement, l'autre (A) au milieu extérieur au fluide, la ligne L(t) séparant ces deux zones correspondant à la surface libre du fluide en mouvement, en ce qu'on observe ledit plan en temps réel et en continu au moyen d'un dispositif de prise de vue tel qu'une caméra linéaire CCD incorporant au moins une barette CCD à transfert de charge ou barette de pixels, en ce qu'on analyse et on traite l'image optique d'une droite ZZ' du plan (P) qui coupe la ligne L(t) au moyen d'une carte électronique d'acquisition et de traitement des images reçues par le dispositif de prise de vue pour déterminer le point d'insersection de la ligne ZZ' et de la ligne L(t) et en ce qu'on reconstitue, à partir des points d'intersection desdites lignes L(t) et ZZ' identifiés en fonction du temps, l'onde de gravité. Selon une mise en oeuvre préférée du procédé, préalablement à la mesure, on règle les paramètres nécessaires au traitement du signal de la caméra linéaire CCD par la carte électronique et on visualise l'image reçue par le dispositif de prise de vue au moyen d'un ordinateur relié à la carte électronique par une liaison telle qu'une liaison RS 232.Par la suite, on établit par traitement de l'image optique de la droite ZZ' la courbe de l'intensité lumineuse de chaque pixel du plan image en fonction du numéro du pixel dans le plan image et on détermine le point d'inflexion de ladite courbe qui correspond au pixel du plan image correspondant à l'interface entre les milieux A et B L'invention concerne également un dispositif pour la mesure de l'amplitude et de la fréquence des ondes de gravité se propageant dans des fluides en mouvement, en particulier en bassins d'essais hydrodynamiques, caractérisé en ce ce qu'il comprend des moyens de mise en image pour former une image d'un plan de référence P coupant la surface du fluide en mouvement de manière à former deux zones de luminosité différentes, la ligne L(t) séparant ces deux zones correspondant à la surface du fluide en mouvement, et des moyens de lecture et d'analyse de l'image optique d'une droite ZZ' du plan P pour déterminer le pixel du plan image correspondant au point d'intersection de la droite ZZ' et de la ligne L(t). L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une vue de la coupe du milieu fluide par le plan P, la ligne L(t) représentant la ligne de séparation entre le milieu fluide (zone hachurée) et le milieu extérieur, la ligne ZZ' étant la ligne observée par la caméra CCD linéaire; la figure 2 représente une vue schématique du dispositif de mesure la figure 3 représente un exemple d'une courbe du signal visualisée au moyen de la caméra ; et la figure 4 représente un exemple d'une image de l'étalon permettant l'étalonnage de la caméra. La mise en oeuvre de ce procédé nécessite de choisir un plan de référence P coupant la surface du fluide en mouvement pour former deux zones de luminosité différentes, l'une des zones correspondant au fluide en mouvement, l'autre zone au milieu extérieur au fluide en mouvement. Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 1, le plan P est constitué par la paroi verticale latérale d'un bassin de traction. Les ondes de gravité seront donc mesurées sur le bord du bassin. I1 est à noter que le plan P n'est pas obligatoirement vertical et peut au contraire être un plan incliné. Le fluide en mouvement est donc un liquide B, en l'occurrence de liteau, le milieu extérieur au fluide étant l'air A. La ligne qui sépare ces deux zones correspond à la surface du fluide en mouvement que l'on veut reconstituer.Cette ligne, représentée en L(t) dans la figure 1, peut être fonction ou non du temps. Le but du procédé de mesure est donc d'identifier au cours du temps le positionnement du point K qui correspond au point d'intersection de cette ligne L(t) avec une ligne représentée verticale ZZ'. La ligne ZZ' est observée au moyen d'un dispositif de prise de vue approprié. Ce dispositif de prise de vue peut être constitué par exemple par une caméra CCD linéaire incorporant au moins une barette CCD à transfert de charge ou barette de pixels, comportant par exemple 4.000 pixels ou microcapteurs. Dans les cas les plus simples, le plan P est vertical, la ligne ZZ' est parallèle à la barette CCD et le plan optique de la caméra CCD linéaire est perpendiculaire au plan P. Cette caméra qui met en image en temps réel et en continu la lumière rétro-réfléchie par le plan P permet l'obtention d'une image analysée au moyen d'une barette CCD.A partir de cette image, il devient aisé de repérer le contraste correspondant au point K et de positionner ce point K dans le plan P grâce à un étalonnage préalable du plan de prise de vue par rapport au plan de référence P. I1 est à noter que ce plan P peut être matériel ou immatériel. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le plan P est constitué par l'une des parois verticales latérales d'un bassin de traction. Ce plan P pourrait également être constitué par un plan lumineux. Une fois l'image obtenue au moyen de la caméra linéaire 1, il convient de traiter cette image en vue d'obtenir un signal de mesure analogique. Ce traitement s'effectue au moyen d'une carte électronique d'acquisition et de traitement de l'image associée à une mémoire non volatile de type EPROM assurant la correspondance entre le plan objet P et le plan image (barette CCD) et à un logiciel, cette carte électronique délivre une tension électrique analogique directement proportionnelle à la mesure. Préalablement à toute mesure, un ordinateur 2 incorporant le logiciel permet d'effectuer différents réglages et de régler en particulier les paramètres entrant dans le traitement du signal et de visualiser l'image obtenue. Cet ordinateur est connecté à la carte électronique par une liaison de type RS232.Dès que les réglages ont été réalisés, l'ordinateur devient inutile et peut être déconnecté. La caméra 1 peut, quant à elle, présenter soit des objectifs interchangeables, soit un objectif à focale variable de manière à tenir compte de l'étendue du champ de mesure et de la distance séparant la caméra du plan à observer. La caméra est par exemple positionnée conformément à la figure 2. L'image enregistrée par la caméra CCD et analysée par la carte électronique peut permettre l'obtention d'un signal présentant une allure conforme à celle représentée à la figure 3. En abscisse sont portés les numéros NP des pixels de la caméra CCD et en ordonnée l'intensité lumineuse ou les niveaux de gris NG correspondant à chaque pixel. De manière subjective, on a décidé que les niveaux de gris minimaux correspondraient à l'eau et les niveaux de gris maximaux correspondraient à la paroi du bassin. L'inverse est également possible. Dans le cas d'une telle courbe, le front de la courbe correspond à l'interface eau-air. Le front est d'autant plus marqué que le contraste entre l'eau et la paroi du bassin est plus important.Ce contraste peut d'ailleurs être augmenté soit en utilisant un éclairage auxiliaire, que l'on incorpore par exemple dans les moyens de mise en image, soit en traitant le plan de référence, par exemple au moyen d'une peinture rétroréfléchissante. Pour identifier le pixel de la caméra qui correspond au point K de la séparation entre les deux milieux eau-air, il convient à partir du signal représenté à la figure 3 d'identifier le point d'inflexion de ladite courbe. L'identification de ce point d'inflexion peut s'effectuer soit par moyennage des niveaux d'intensité lumineuse des deux paliers supérieur et inférieur de la courbe puis calcul de la demi-somme de ces niveaux et détermination du pixel correspondant, soit par détermination graphique du pixel correspondant à la pente maximale de la courbe. Par la suite, les points de l'interface ainsi identifiés sont représentés en fonction du temps et permettent de reconstituer l'ensemble de l'onde de manière à mesurer son amplitude et sa fréquence. Bien évidemment, le positionnement sur l'image du pixel correspondant au point K de l'interface n'est pas suffisant pour connaître la position réelle du point K dans le plan P. Pour ce faire, il convient donc d'effectuer un étalonnage. Cet étalonnage consiste à disposer, dans le plan objet P, une règle graduée constituée par exemple de franges noires disposées sur un fond blanc, lesdites franges étant régulièrement espacées, et d'en acquérir une image. On obtient une image du type conforme à celle de la figure 4. Il devient alors aisé d'établir la correspondance entre les distances mesurées dans le plan objet à partir d'une certaine origine et le numéros des pixels. Cette correspondance est à priori non linéaire. Bien évidemment, d'autres dispositifs de prise de vue et d'autres moyens de lecture et d'analyse de l'image ainsi formés peuvent être utilisés. Ainsi, des moyens de mise en image peuvent être constitués par un appareil photographique et les moyens de lecture et d'analyse peuvent être formés par un scanner à mono comparateur, un stéréo restituteur, etc. Un tel procédé de mesure présente un grand nombre d'avantages. Tout d'abord, ce procédé de mesure est non intrusif. En effet, par exemple, la houle mesurée n'est pas altérée par l'appareil de mesure utilisé. En outre, le signal délivré par le capteur est un signal en temps réel analogique. I1 est donc du même type que les signaux délivrés par les sondes résistives par exemple. Ce signal peut être visualisé en temps réel sur oscilloscope ou stocké dans un enregistreur magnétique. Enfin, la résolution temporelle est très élevée puisque le signal analogique délivré par le capteur peut correspondre à une cadence de traitement de, par exemple, 300 images/seconde. Les variations rapides du niveau de l'eau sont mesurées et la bande passante est de l'ordre par exemple de 150 Hertz. La résolution spatiale absolue dépend de l'objectif optique qui équipe la caméra.Si l'on admet que la position du front est déterminée à un pixel près et si l'on considère que l'étendue AZ du champ de mesure correspond aux 3/4 des pixels de la caméra, par exemple 3000 pixels, la résolution spatiale ôz vérifie 6z = 1 Vz 3 000 Ainsi, pour une houle crête-creux de 30 cm, la résolution spatiale est : 30 cm x 1/3 000 soit 1/10 mm. La résolution spatiale est donc très bonne. Ainsi, à titre d'application, on considère une houle régulière (harmonique) de longueur d'ondes = 30 cm se propageant dans un bassin de traction rectiligne dans une certaine direction et une plate-forme se déplaçant à 15 m/s le long du bassin, dans la direction opposée. On suppose cette plate-forme équipée du capteur de houle selon l'invention. Les conditions retenues sont sévères puisque la longueur d'onde de la houle a été choisie faible alors que la vitesse retenue pour la plateforme est très élevée.La "fréquence de rencontre" fR, c'està-dire la fréquence à laquelle seront rencontrées les crêtes successives de la houle pour un observateur (et aussi pour le capteur de houle) situé sur la plate-forme est fR = 52,3 Herz Il est à noter que le calcul de la "fréquence de rencontre" a été effectué en supposant que la relation de dispersion est w2=gk (w étant la pulsation de la houle dans un référentiel absolu; g l'accélération de la pesanteur et k le nombre d'onde) et en prenant en compte la vitesse de propagation, certes faible de la houle. Compte-tenu de la résolution temporelle (de l'ordre de 150 Hz) donnée précédemment, on constate que le capteur de houle selon l'invention sera tout à fait apte à mesurer parfaitement cette houle. Bien évidemment, d'autres applications dans lesquelles on cherche à reconstituer la surface d'un fluide ou d'un solide en mouvement peuvent être envisagées. Tout d'abord, pour ce qui est de la mesure de la houle, on peut s'affranchir du plan matériel introduit dans la description (le bord du bassin) et le remplacer par un plan laser. Il est ainsi montré que la méthode peut être appliquée au voisinage de n'importe quelle structure flottante (bateaux, plate-forme offshore). Il suffit de réaliser un plan lumineux à l'endroit où l'on souhaite réaliser la mesure. Comme nous l'avons décrit ci-dessus on peut s'affranchir du plan matériel mais on peut également envisager que la surface dont on étudie le mouvement puisse ne plus être un fluide mais un corps solide, notamment élastique. On peut ainsi imaginer analyser les vibrations des structures matérielles élastiques. Là aussi, il suffit d'utiliser une tranche lumineuse coupant la surface matérielle. On entrevoit alors la possibilité de multiples applications : vibrations des machines, vibrations des voitures, des structures aéroélastiques des avions, vibrations des matériels férroviaires, etc... Une application immédiate peut en particulier être envisagée pour l'étude des vibrations aéro-élastiques des maquettes d'avion expérimentées dans les souffleries industrielles. REVENDICATIONS : 1. Procédé d'analyse de la surface d'un fluide ou solide en mouvement, et en particulier, de mesure de l'amplitude et de la fréquence des ondes de gravité se propageant dans des fluides en mouvement, en particulier en bassins d'essais hydrodynamiques, caractérisé en ce qu'on choisit un plan de référence (P), tel qu'une paroi du bassin, coupant la surface du fluide en mouvement de manière à former deux zones de luminosités différentes, l'une (B) correspondant au fluide en mouvement, l'autre (A) au milieu extérieur au fluide, la ligne L(t) séparant ces deux zones correspondant à la surface du fluide en mouvement, en ce qu'on observe ledit plan en temps réel et en continu au moyen d'un dispositif de prise de vue tel qu'une caméra linéaire CCD incorporant au moins une barette CCD à transfert de charge ou barette de pixels, en ce qu'on analyse et on traite l'image optique d'une droite ZZ' du plan (P) qui coupe la ligne L(t) au moyen d'une carte électronique d'acquisition et de traitement des images formées par le dispositif de prise de vue pour déterminer le point d'intersection de ZZ' et de la ligne L(t) et en ce qu'on reconstitue, à partir des points d'intersection desdites lignes L(t) et ZZ' identifiés en fonction du temps, l'onde de gravité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement à la mesure, on règle les paramètres nécessaires au traitement du signal de la caméra linéaire CCD par la carte électronique et en ce qu'on visualise l'image reçue par le dispositif de prise de vue au moyen d'un ordinateur relié à la carte électronique par une liaison telle qu'une liaison RS 232. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on établit par traitement de l'image optique de la droite ZZ' la courbe de l'intensité lumineuse de chaque pixel du plan image en fonction du numéro du pixel dans le plan image et en ce qu'on détermine le point d'inflexion de ladite courbe qui correspond au pixel du plan image correspondant à l'interface entre les milieux A et B. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on détermine le pixel correspondant à l'interface entre les milieux A et B par moyennage des niveaux d'intensité lumineuse des deux paliers supérieur et inférieur de la courbe puis calcul de la demi-somme de ces niveaux. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on étalonne le dispositif de mesure pour établir la correspondance des numéros de pixels identifiés dans le plan image et leur positionnement réel dans le plan P. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on étalonne le dispositif de mesure par analyse de l'image d'une règle graduée telle qu'une série de franges noires sur fond blanc régulièrement espacées disposée dans le plan P. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le plan de référence (P) est un plan matériel tel qu'une paroi. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le plan de référence (P) est un plan immatériel tel qu'un plan lumineux. 9. Dispositif pour la mesure de l'amplitude et de la fréquence des ondes de gravité se propageant dans des fluides en mouvement, en particulier en bassins d'essais hydrodynamiques en vue de la mise en oeuvre d'un procédé conforme aux revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise en image pour former une image d'un plan de référence P coupant la surface du fluide en mouvement de manière à former deux zones de luminosité différentes, la ligne L(t) séparant ces deux zones correspondant à la surface du fluide en mouvement, et des moyens de lecture et d'analyse de l'image optique d'une droite ZZ' du plan P pour déterminer le pixel du plan image correspondant au point d'intersection de la droite ZZ' et de la ligne L(t). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mise en image sont constitués par un appareil photographique ou une caméra vidéo CCD incorporant au moins une barette CCD à transfert de charge et en ce que les moyens de lecture et d'analyse sont formés par un scanner à mono-comparateur, un stéréo restituteur et/ou une caméra vidéo à lecture automatique assistée par un ordinateur intégrant une carte de traitement d'image. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend une caméra linéaire CCD à lecture automatique équipée d'objectifs interchangeables ou d'un objectif à focale variable, une carte électronique d'acquisition et de traitement des images reçues par la caméra vidéo, cette carte, associée à la caméra vidéo, délivrant une tension électrique analogique directement proportionnelle à la mesure, une mémoire non volatile du type EPROM assurant la loi de correspondance entre le plan objet de référence P et le plan image de la caméra, un logiciel de gestion de la carte électronique. 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mise en image incluent une source lumineuse auxiliaire agencée pour accroitre le contraste entre le milieu fluide et le milieu extérieur.