CH628983A5 - Appareil pour la mesure automatique a distance du profil vertical de la temperature de l'atmosphere. - Google Patents

Appareil pour la mesure automatique a distance du profil vertical de la temperature de l'atmosphere. Download PDF

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Description

La présente invention a pour objet un appareil pour la mesure automatique à distance du profil vertical de la température de l'atmosphère au moyen d'un dispositif radioacous-tique.
Des tentatives ont déjà été faites pour mesurer le profil vertical de la température par l'intermédiaire de la mesure de la vitesse de propagation du son dans l'air, mais sans grand succès, car les moyens mis en œuvre n'étaient pas adaptés à une mesure automatique.
Dans le cadre des travaux en vue de la protection de l'air, le profil vertical de la température des basses couches de l'atmosphère est mesuré au moyen d'un ballon captif emportant une sonde de température dont les informations sont transmises par radio.
Outre la lenteur du procédé et son coût, il ne peut pas être mis en œuvre dès que le vent souffle un peu fort, ce qui limite très sérieusement son utilisation.
Le fait de pouvoir mesurer quasi instantanément et automatiquement le profil vertical du vent, par n'importe quel temps est une très grande amélioration par rapport aux méthodes actuellement utilisées, tant au point de vue de la technique que celui du coût.
L'appareil pour la mesure automatique à distance du profil vertical de la température, selon l'invention, est défini par la revendication 1.
Les dessins annexés représentent les principes de fonctionnement de l'appareil, et à titre d'exemple une forme d'exécution de l'objet de l'invention et notamment un exemple de méthode possible de transformation des signaux électriques.
Lafig. 1 montre le principe du sondeur radioacoustique. La fig. 2 montre le principe de réflection des ondes radar s sur le train d'onde sonore.
La fig. 3 montre le principe de l'asservissement du radar acoustique.
La fig. 4 représente un circuit d'oscillateur asservi classique.
La fig. 5 montre le principe de l'asservissement du radar doppler par le système à boucle de phase modifié.
La fig. 6 montre le principe de mesure du vent tridimensionnel.
La fig. 7 montre une méthode possible de transformation des signaux électriques du conditionneur de signaux.
La fig. 8 montre une méthode possible de transformation des signaux électriques de l'appareil.
L'appareil pour la mesure automatique à distance du profil vertical de la température de l'atmosphère est basé sur une propriété des gaz qui fait que la vitesse de propagation d'un son dans l'air ne dépend que de la température locale de l'air et de la vitesse verticale du vent.
Vs = 20,05 VT + u (0
Vs vitesse du son [m/s]
T température de l'air [°K]
u composante de la vitesse de l'air dans la direction de propagation du son. [m/s]
La vitesse de propagation d'un train d'onde sonore d'une puissance de quelques centaines de watt est mesurée au moyen d'un radar doppler continu (fig. 1).
Pour obtenir un écho radar 2 utilisable, il est nécessaire que la longueur de l'onde émise 1 par le radar soit accordée au double de la longueur d'onde, variable avec la température du train d'onde sonore 3. Le train d'onde sonore est émis par une antenne acoustique 4, tandis que l'onde électromagnétique du radar est émise par l'antenne 5 et l'écho est capté par l'antenne 6.
La figure 2 montre que les différents échos radars 2 réfléchis par les périodes successives 7 du train d'onde sonore sont en phases (écho maximum) si la longueur d'onde du signal radar est le double de la longueur d'onde du signal acoustique
À.r = rXs (2)
La fréquence de l'écho du radar doppler est décalée par rapport à la fréquence d'émission d'une valeur Àv donnée par la relation
VsAv (3)
Ca 2 Vo où Ca vitesse de la lumière dans l'air (constante)
Vo fréquence d'émission du radar
Sachant que les longueurs d'ondes sont liées aux fréquences par les relations
Ca = Xt • Vo (^0
Vs = ?t,s* Vs (5)
on peut voir que la condition pour obtenir l'écho maximum est que
Av = Vs (6)
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«
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h fréquence du train d'onde sonore
A l'accord la fréquence doppler Av est égale à la fréquence d'émission u s de l'onde sonore.
C'est ce fait qui sert de base physique à l'objet de la présente invention.
On connaît en effet d'une part des oscillateurs dont la fréquence varie avec une tension de commande et d'autre part des dispositifs qui transforment une fréquence en tension. En réunissant (fig. 3) un convertisseur fréquence/tension 8 à un tel oscillateur 9 par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation (filtre passe-bas) 10, on réalise l'asservissement de la fréquence d'émission du radar à la température de l'air (en négligeant l'effet du vent). On améliore grandement la précision du dispositif en utilisant comme convertisseur fréquence/tension un dispositif à asservissement de phase qui compare directement la fréquencer doppler à la fréquence fixe de l'oscillateur de l'émetteur de l'onde acoustique. L'idée originale consiste à remplacer le diviseur 11 du circuit classique (fig. 4) d'un oscillateur asservi en phase qui comporte un oscillateur de référence 12, un comparateur de phase 13, un filtre passe-bas 14, un oscillateur asservi 9, et le diviseur 11 par le radar doppler lui-même (fig. 5) symbolisé par ses antennes émettrice 5 et réceptrice 6 et le mélangeur 15. On assurera l'accrochage du dispositif d'asservissement en émettant de façon continue et à faible puissance un signal sonore avant l'émission de l'impulsion sonore principale.
En combinant les équations 1 à 5, on s'aperçoit que la température est proportionelle au carré du rapport entre la fréquence doppler et la fréquence radar.
T~v;~ (f)! (')
On peut donc s'affranchir des écarts de phase du système d'asservissement en mesurant directement le rapport au moyen d'un ratio-mètre 16.
Le dispositif donne ainsi une mesure absolue de la vitesse du train d'onde sonore. Un point important est le choix de la fréquence acoustique (dont dépend la fréquence radar par les relations données). Comme pour tout système de mesure,
c'est la détermination du volume d'épreuve qui engendre ce choix. Pour les mesures dans les basses couches de l'atmosphère un volume d'épreuve ayant un côté d'un ordre de grandeur de 10 m est optimum.
Pour obtenir un écho radar satisfaisant par réflection multiple sur les périodes du signal acoustique, il faut que le nombre de celles-ci soit d'environ n = 30. La fréquence acoustique se calcule alors par la relation vk- y Vs (8)
Soit un ordre de grandeur de la fréquence sonore de 1000 Hz (par exemple 1600 Hz).
Un complément indispensable du système de mesure est la mesure du vent vertical u, dont l'effet n'est pas négligeable. Pour cela on reçoit sur l'antenne acoustique 4 de la fig. 1 l'onde sonore diffusée par la turbulence atmosphérique lors du passage du train d'onde sonore 2.
On a en effet la relation suivante (effet doppler)
Avs fréquence doppler du signal sonore
De nombreuses tentatives ont été faites pour déterminer cette fréquence au moyen d'analyseurs de spectre, mais cette méthode est mal adaptée au volume d'épreuve.
On effectue une moyenne spatio-temporelle optimum en mesurant le temps tp des n périodes que met le train d'onde sonore pour traverser le volume d'épreuve (par exemple n = 30) au moyen d'un périodemètre qui mesure tp, précédé d'un diviseur de fréquence (division par m)
La fréquence doppler Avs se calcule alors par la relation
Avs = - (10)
tP
La mesure du profil vertical du vent vertical peut être facilement étendue (fig. 6) à la mesure du profil vertical du vent tridimensionnel en rajoutant 2 antennes acoustiques placées à une certaine distance (par exemple 150 m de l'antenne verticale), suivies des conditionneurs de signaux 18 comportant un diviseur par m et des périodemètres 19. Il faut remarquer que ces conditionneurs de signaux sont les mêmes que le conditionneur de signaux du radar doppler, car ils travaillent à la même fréquence.
Ils comportent (fig. 7) un préamplificateur à faible bruit 20, un filtre centré sur 1600 Hz à largeur de bande réglable 21, un amplificateur logarithmique 27, un circuit de mise en forme 23, un circuit de division 24 réglable entre 1 et 100. En outre le conditionneur de signaux comporte un circuit de discrimination d'erreur qui contrôle si le signal présent est cohérent.
Il est composé de deux monovibrateurs 25 et 26 qui engendrent une impulsion dont la coïncidence avec le signal à contrôler est détectée par le comparateur 27.
Les mesures effectuées par le ratiomètre et les trois période-mètres sont transmises soit à des enregistreurs graphiques,
soit à un miniordinateur qui transforme les mesures en données physiques.
La hauteur h de mesure est déterminée par l'intégrale h = fjjVsdt (11)
Une forme d'exécution de l'appareil pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel est donnée à titre d'exemple (fig. 8), on y trouve l'antenne émettrice 5, excitée par un amplificateur de puissance UHF 28, attaqué par l'oscillateur UHF 12 dont la fréquence est réglable par tension entre 650 MHz et 850 MHz. La tension de réglage provient du détecteur de phase 13 suivi du filtre passe-bas 14. Les signaux provenant de l'antenne 6 du radar sont amplifiés par le circuit 29, combinés à la fréquence de l'émetteur par le mélangeur 30. Le signal BF résultant est traité par le conditionneur 31 qui attaque le détecteur de phase 13 ainsi que par le signal de l'oscillateur de référence à 1600 Hz 12. Le système de mesure de température de l'air au sol 44 donne un signal électrique sur le filtre passe-bas qui permet de prérégler automatiquement la fréquence d'émission. Le rapport des fréquences Av/v est mesuré par le ratiomètre 32.
Les signaux BF provenant de l'oscillateur 12 sont amplifiés par le circuit 33 (1000 W) et attaquent l'antenne acoustique 4 par l'intermédiaire du commutateur 34. A la réception des signaux sonores reçus par l'antenne acoustique 4 ainsi que les antennes acoustiques 16 et 17 sont respectivement traités par les périodemètres 38,39, et 40, dont les sorties ainsi que celle du ratiomètre 32 sont reliées par le bus normalisé 41 au miniordinateur 42 qui transmet les résultats au terminal 43. De nombreuses variantes sont bien entendu possibles dans le choix des circuits de traitement des signaux.
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Claims (8)

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1. Appareil pour la mesure automatique à distance du profil vertical de la température de l'atmosphère caractérisé par ie fait qu'il comprend un radar doppler continu asservi par comparaison de la fréquence doppler du radar à la fréquence de l'impulsion sonore, qui mesure la vitesse de propagation d'une impulsion sonore, des moyens d'émettre cette impulsion sonore, des moyens de corriger l'effet de la vitesse verticale du vent et des moyens de mesurer cette vitesse.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur d'onde du radar doppler est asservie au double de la longueur d'onde, variable avec la température, de l'impulsion sonore.
2
REVENDICATIONS
3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le système d'asservissement comporte un détecteur de phase entre la fréquence doppler du radar et l'oscillateur du générateur d'impulsion sonore, suivi d'un filtre passe-bas,
4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'accrocher initialement l'asservissement en émettant le signal sonore en continu et à faible puissance avant l'émission de l'impulsion sonore de mesure.
5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un ratiomètre qui mesure le rapport entre la fréquence doppler reçue par le radar et la fréquence d'émission du radar.
6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mesure des composantes du vent se fait par la mesure de la durée de n périodes de l'écho de l'impulsion sonore sur la turbulence atmosphérique.
7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un miniordinateur qui corrige les mesures de l'effet d'entraînement du vent.
8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit d'asservissement qui prérègle la fréquence d'émission du radar doppler en fonction de la température de l'air au sol.
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