CH634418A5 - Apparatus for automatically and remotely measuring the three-dimensional vertical wind profile in the atmosphere - Google Patents

Apparatus for automatically and remotely measuring the three-dimensional vertical wind profile in the atmosphere Download PDF

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CH634418A5
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Jean-Michel Fage
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Ravussin Pierre Emile Charles
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    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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Description

La présente invention a pour objet un appareil pour la mesure à distance du vent tridimensionnel dans lequel le vecteur vent, fonction de l'altitude, est déterminé par la mesure de ses trois composantes au moyen d'un seul sondeur acoustique. The present invention relates to an apparatus for the remote measurement of the three-dimensional wind in which the wind vector, function of the altitude, is determined by the measurement of its three components by means of a single acoustic sounder.

On connaît déjà des installations de type analogue mais utilisant trois sondeurs acoustiques qui mesurent chacun l'une des composantes du vecteur vent, et dont les données subissent un traitement numérique compliqué (analyse de Fourier) avant d'être transformées en vitesse du vent. Installations of similar type are already known but using three acoustic sounders which each measure one of the components of the wind vector, and whose data undergo a complicated digital processing (Fourier analysis) before being transformed into wind speed.

Or, dans le cadre des études en vue de la protection de l'air, il est nécessaire de disposer des mesures du profil vertical du vent tridimensionnel au moyen d'un appareil dont le coût ne soit pas prohibitif. Le fait de pouvoir mesurer à distance le profil vertical du vecteur vent au moyen d'un seul sondeur est une grande amélioration, surtout au point de vue du taux de disponibilité des mesures, par rapport au ballon captif et à d'autres dispositifs qui sont actuellement utilisés. However, in the context of studies for the protection of air, it is necessary to have measurements of the vertical profile of the three-dimensional wind using a device whose cost is not prohibitive. Being able to remotely measure the vertical profile of the wind vector using a single sounder is a great improvement, especially in terms of the measurement availability rate, compared to the tethered balloon and other devices that are currently in use.

L'appareil pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel, selon l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comprend un radar acoustique doppler mesurant successivement trois composantes du vecteur vent dans trois directions différentes, au moyen d'une seule antenne acoustique orientable. The apparatus for the remote measurement of the vertical profile of the three-dimensional wind, according to the invention, is characterized in that it comprises an acoustic doppler radar successively measuring three components of the wind vector in three different directions, by means of a single orientable acoustic antenna.

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. The accompanying drawings show the operating principles of the device, and by way of example an embodiment of the object of the invention and in particular an example of a possible method of transforming electrical signals.

La fîg. 1 montre le principe du sondeur acoustique The fig. 1 shows the principle of the acoustic sounder

La fig. 2 définit l'angle de diffusion Fig. 2 defines the angle of diffusion

La fig. 3 montre le graphique de l'intensité de diffusion I fonction de l'angle de diffusion 0 pour la turbulence mécanique du vent Fig. 3 shows the graph of the scattering intensity I as a function of the scattering angle 0 for the mechanical turbulence of the wind

La fig. 4 montre le graphique de l'intensité de diffusion I fonction de l'angle de diffusion 0 pour la turbulence thermique Fig. 4 shows the graph of the scattering intensity I as a function of the scattering angle 0 for the thermal turbulence

La fig. 5 illustre le principe de la mesure du vent par l'effet Doppler Fig. 5 illustrates the principle of wind measurement by the Doppler effect

La fig. 6 montre un exemple de trois directions de mesure possibles du vecteur vent Fig. 6 shows an example of three possible directions of measurement of the wind vector

La fig. 7 montre une forme d'exécution de l'antenne orientable du sondeur acoustique Fig. 7 shows an embodiment of the orientable antenna of the acoustic sounder

La fig. 8 montre une méthode possible de transformation des signaux électriques. Fig. 8 shows a possible method of transforming electrical signals.

L'appareil pour la mesure à distance du profil vertical du vent tridimensionnel qui va être décrit comporte plusieurs éléments, en particulier le sondeur acoustique, dont le principe est montré dans la fig. 1 : l'antenne émettrice 1 envoie un train d'onde sonore 2 dans l'atmosphère. Ce train d'onde sonore 2 est diffusé par la turbulence atmosphérique 4 et une faible partie 5 de l'onde diffusée est renvoyée en direction de l'antenne réceptrice 6. Celle-ci peut être confondue avec l'antenne émettrice I. The apparatus for the remote measurement of the vertical profile of the three-dimensional wind which will be described comprises several elements, in particular the acoustic sounder, the principle of which is shown in FIG. 1: the transmitting antenna 1 sends a sound wave train 2 into the atmosphere. This sound wave train 2 is diffused by atmospheric turbulence 4 and a small part 5 of the diffused wave is returned in the direction of the receiving antenna 6. The latter can be confused with the transmitting antenna I.

L'intensité de l'onde diffusée dépend de l'angle de diffusion 7 défini dans la fig. 2. The intensity of the scattered wave depends on the scattering angle 7 defined in fig. 2.

L'intensité de l'onde diffusée dépend aussi de la nature de la turbulence atmosphérique. En particulier l'intensité 8 de l'onde sonore rétrodiffusée en direction de l'émetteur est différente pour la turbulence d'origine mécanique (vent) fig. 3, qui correspond à des mouvements désordonnés de l'air que pour la turbulence thermique (fig. 4) qui correspond à des particules d'air à une température différente de la température ambiante. The intensity of the scattered wave also depends on the nature of the atmospheric turbulence. In particular the intensity 8 of the sound wave backscattered towards the transmitter is different for the turbulence of mechanical origin (wind) fig. 3, which corresponds to disordered air movements only for thermal turbulence (fig. 4) which corresponds to air particles at a temperature different from ambient temperature.

Les moyens de la présente invention pour transformer les signaux reçus en mesure du vent sont basés sur l'effet Doppler (fig. 5). The means of the present invention for transforming the received signals into wind measurement are based on the Doppler effect (fig. 5).

Le physicien C.J. Doppler (1803-1853) a en effet montré que si un objet 9 (ici une particule d'air thermique) se déplaçait à une vitesse radiale vi par rapport à une source sonore 10, il existait la relation suivante entre la fréquence fi de la source sonore 2 et la fréquence f2 du signal diffusé 5 en direction de la source sonore: The physicist CJ Doppler (1803-1853) indeed showed that if an object 9 (here a particle of thermal air) moved at a radial speed vi compared to a sound source 10, there existed the following relation between the frequency fi from the sound source 2 and the frequency f2 of the broadcast signal 5 towards the sound source:

f2 = fi(l-2vi/c) (1) f2 = fi (l-2vi / c) (1)

où c est la vitesse du son dans l'air. where c is the speed of sound in the air.

Connaissant la fréquence d'émission fi, la vitesse du son dans l'air c, il est possible de calculer la vitesse axiale vi par la mesure de la fréquence f2. Knowing the emission frequency fi, the speed of sound in air c, it is possible to calculate the axial speed vi by measuring the frequency f2.

En mesurant la vitesse axiale dans trois dimensions différentes, on obtient 3 vitesses axiales vl, v2, v3 qui forment les composantes du vecteur vent v cherché. By measuring the axial speed in three different dimensions, we obtain 3 axial speeds vl, v2, v3 which form the components of the sought-after wind vector v.

V = U1 Vi + U2V2 + U3 V3 (2) V = U1 Vi + U2V2 + U3 V3 (2)

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

634418 634418

uî, ïH, in étant les vecteurs unitaires (connus) dans la direction de mesure. On peut représenter le vecteur vent v"dans différents systèmes de coordonnées. On passe d'un système à l'autre par la relation matricielle v'=Av* (3) uî, ïH, in being the (known) unit vectors in the direction of measurement. We can represent the wind vector v "in different coordinate systems. We go from one system to another by the matrix relation v '= Av * (3)

où ? est le vecteur vent dans le nouveau système de coordonnées et A la matrice de transformation. or ? is the wind vector in the new coordinate system and A the transformation matrix.

Un exemple de directions de mesure commode (fig. 6) sont celles où l'une regarde le Nord 12 en faisant un certain angle 15, par exemple 45°, avec la verticale, où la deuxième regarde l'Est 13 en faisant le même angle 15 avec la verticale et où la troisième est verticale 14. Le sondeur acoustique est situé en 16 et le plan de mesure 11 est horizontal. An example of convenient measurement directions (fig. 6) are those where one looks north 12 at a certain angle 15, for example 45 °, with the vertical, where the second looks east 13 doing the same angle 15 with the vertical and where the third is vertical 14. The acoustic sounder is located at 16 and the measurement plane 11 is horizontal.

L'objet de la présente invention est rendu possible par le fait que le vent ne varie pas ou peu dans un plan horizontal, à une distance raisonnable autour de la verticale du point de mesure. Il est donc possible de calculer le vecteur vent v en mesurant successivement ses 3 composantes vi, V2, V3, par exemple chaque A t = 5 secondes. En répétant l'opération un certain nombre n de fois, par exemple n = 30, on obtient n vecteurs vn, dont on peut calculer la moyenne v*du vecteur vent pendant l'intervalle de temps 3nA t, The object of the present invention is made possible by the fact that the wind varies little or not in a horizontal plane, at a reasonable distance around the vertical of the measurement point. It is therefore possible to calculate the wind vector v by successively measuring its 3 components vi, V2, V3, for example each A t = 5 seconds. By repeating the operation a certain number n of times, for example n = 30, we obtain n vectors vn, of which we can calculate the average v * of the wind vector during the time interval 3nA t,

avec v~= - I " v" = I (S vV uî + I v? U2 + S vÇ Ü3) (4) with v ~ = - I "v" = I (S vV uî + I v? U2 + S vÇ Ü3) (4)

n i n "-1 ] - ] n i n "-1] -]

Tandis que la distribution des v5 - v* n = 1, ... 30 donne une mesure de la turbulence du vent. La méthode de transformation des signaux qui fait l'objet de la présente invention est basée sur l'idée suivante: While the distribution of v5 - v * n = 1, ... 30 gives a measure of the wind turbulence. The signal transformation method which is the subject of the present invention is based on the following idea:

Tout système de mesure du vent est caractérisé par son volume d'épreuve et sa longueur de réponse. Any wind measurement system is characterized by its test volume and its response length.

Le volume d'épreuve de l'objet de la présente invention est déterminé par la longueur du train d'onde sonore et de son diamètre. Pour avoir un système de mesure physiquement correcte, il faut que la longueur de réponse / soit de l'ordre de grandeur de la dimension moyenne d du volume d'épreuve v d^/V (5) The test volume of the object of the present invention is determined by the length of the sound wave train and its diameter. To have a physically correct measurement system, the response length / must be of the order of magnitude of the average dimension d of the test volume v d ^ / V (5)

Or, la présente invention utilise l'onde sonore comme moyen de mesure. However, the present invention uses the sound wave as a means of measurement.

Il faut donc que le temps de mesure x de la fréquence Doppler soit de l'ordre de grandeur du temps nécessaire à l'onde sonore pour traverser la dimension moyenne du volume d'épreuve The measurement time x of the Doppler frequency must therefore be of the order of magnitude of the time necessary for the sound wave to cross the average dimension of the test volume.

Dans la pratique, on a d = 5-10m, c = 330m/s d'où t~ 1 Omsec. Or, si l'on veut mesurer la fréquence Doppler avec une précision suffisante pour obtenir une définition de la vitesse du vent satisfaisante, par exemple 0,2m/s, l'utilisation d'un fréquencemètre conduit à un temps de mesure beaucoup trop long. De même, l'analyse spectrale nécessite un nombre de points de mesure et un temps de calcul trop long. Pour surmonter ces problèmes, la méthode utilisée par la présente invention consiste à mesurer la moyenne des périodes successives du signal alternatif reçu prise sur le temps de mesure x optimal. In practice, we have d = 5-10m, c = 330m / s whence t ~ 1 Omsec. However, if one wishes to measure the Doppler frequency with sufficient precision to obtain a satisfactory definition of the wind speed, for example 0.2 m / s, the use of a frequency meter leads to a measurement time that is far too long. . Likewise, spectral analysis requires too many measurement points and too long a calculation time. To overcome these problems, the method used by the present invention consists in measuring the average of the successive periods of the alternating signal received taken over the optimal measurement time x.

Comme la fréquence f2 du signal Doppler est voisine de la fréquence d'émission fi, on peut soit mesurer la moyenne de la durée de n périodes successives pi, i = 1, ... n, soit mesurer directement la durée de n périodes successives 12 As the frequency f2 of the Doppler signal is close to the emission frequency fi, we can either measure the average of the duration of n successive periods pi, i = 1, ... n, or directly measure the duration of n successive periods 12

La fig. 7 représente une forme d'exécution de l'antenne acoustique orientable de l'invention. Fig. 7 shows an embodiment of the orientable acoustic antenna of the invention.

Elle comporte l'émetteur de son proprement dit 17 qui peut être une chambre de compression de haut-parleur et qui fait en même temps office de microphone à réception, un cône de diffusion 18, lui même relié à un réflecteur 20 sphérique ou parabolique par des barres 19. It comprises the actual sound transmitter 17 which can be a speaker compression chamber and which at the same time acts as a reception microphone, a diffusion cone 18, itself connected to a spherical or parabolic reflector 20 by bars 19.

Cet ensemble 17 à 20, qui forme l'antenne acoustique proprement dite, est rendu orientable en élévation par les deux supports 21, les deux axes mobiles 22 situés au voisinage du centre de gravité de l'antenne, dont l'une est entraîné par l'ensemble moteur-réducteur 23 et l'autre entraîne le dispositif de contrôle de position 24 qui peut être un codeur optique ou simplement un doigt mécanique actionnant des contacts électriques. This assembly 17 to 20, which forms the actual acoustic antenna, is made orientable in elevation by the two supports 21, the two mobile axes 22 located in the vicinity of the center of gravity of the antenna, one of which is driven by the motor-reducer assembly 23 and the other drives the position control device 24 which can be an optical encoder or simply a mechanical finger actuating electrical contacts.

L'orientation en azimuth est assurée par la rotation du support 29 autour de l'axe 24 au moyen de l'ensemble moteur-réducteur 25, la position étant détectée par des contacts électriques 26 placés sur la platine de base 27, actionnés par des doigts mécaniques 28. The azimuth orientation is ensured by the rotation of the support 29 around the axis 24 by means of the motor-reduction unit 25, the position being detected by electrical contacts 26 placed on the base plate 27, actuated by mechanical fingers 28.

L'antenne est protégée des bruits parasites par une enceinte acoustique formée d'une paroi massive 30, par exemple du • bois contreplaqué doublé de plomb et revêtu intérieurement d'une mousse plastique 31. The antenna is protected from unwanted noise by an acoustic enclosure formed by a solid wall 30, for example plywood • lined with lead and coated internally with plastic foam 31.

Un forme d'exécution de la partie électronique de l'invention est représentée à titre d'exemple par la fig. 8. De nombreuses variantes sont bien entendu possible dans le choix des circuits de traitement des signaux électriques. Les circuits électroniques sont composés d'un générateur de signaux 32 par exemple à 1600 Hz, connecté à l'amplificateur 34 par l'interrupteur 33, et à l'antenne 36 par le commutateur 35, pendant un temps réglable, par exemple entre 1 Omsec et 200msec déterminé par la logique de commande 37. Immédiatement après l'émission, le commutateur 35 revient à la position B et l'onde sonore diffusée par la turbulence thermique est captée par l'antenne et transmise sous forme électrique successivement au préamplificateur 38, au filtre de bande 39, à un préamplificateur 40 dont le gain, commandé par le circuit 37, augmente avec le temps, un certain temps réglable après la fin de l'émission. Le signal est ensuite transmis au circuit limiteur d'amplitude 41. La mesure de la période moyenne est effectuée au moyen du compteur 42 qui est enclenché par le circuit de commande 37 aux altitudes successives de mesure. Ce compteur 42 reçoit les impulsions de l'oscillateur 43. Il est arrêté lorsque le compteur à présélection 44 qui reçoit le signal Doppler a compté, à partir du même moment déterminé par le circuit de commande 37, le nombre de périodes présélectionnées, par exemple 30. Le résultat de cette mesure est transmis soit au convertisseur digital-analogue 45 suivi d'un enregistreur graphique 46 sur lequel le papier peut être directement gradué en vitesse de vent et en altitude, soit sur le microordinateur 47, qui effectue simultanément le corrections de température dont il reçoit les valeurs par le circuit 48 et le calcul des composantes du vecteur vent. Il assume aussi le contrôle de la position de l'antenne pour la mesure dans la direction suivante par l'intermédiaire du circuit 49 et la synchronisation du circuit de commande 37, par l'intermédiaire du circuit 50. Les résultats sont transmis au terminal 51 qui peut être par exemple une imprimante, un enregistreur graphique ou un support de données digitales tel que la bande perforée, le disque ou la bande magnétique, ou sous toute autre forme de support. An embodiment of the electronic part of the invention is shown by way of example in FIG. 8. Many variations are of course possible in the choice of circuits for processing electrical signals. The electronic circuits are composed of a signal generator 32 for example at 1600 Hz, connected to the amplifier 34 by the switch 33, and to the antenna 36 by the switch 35, for an adjustable time, for example between 1 Omsec and 200msec determined by the control unit 37. Immediately after transmission, the switch 35 returns to position B and the sound wave diffused by the thermal turbulence is picked up by the antenna and transmitted in electrical form successively to the preamplifier 38 , to the band filter 39, to a preamplifier 40 whose gain, controlled by the circuit 37, increases with time, a certain time adjustable after the end of the transmission. The signal is then transmitted to the amplitude limiting circuit 41. The measurement of the average period is carried out by means of the counter 42 which is started by the control circuit 37 at successive measurement altitudes. This counter 42 receives the pulses from the oscillator 43. It is stopped when the preset counter 44 which receives the Doppler signal has counted, from the same moment determined by the control circuit 37, the number of preselected periods, for example 30. The result of this measurement is transmitted either to the digital-analog converter 45 followed by a graphic recorder 46 on which the paper can be directly graduated in wind speed and altitude, or on the microcomputer 47, which simultaneously performs the corrections of temperature from which it receives the values by circuit 48 and the calculation of the components of the wind vector. It also assumes the control of the antenna position for the measurement in the following direction via the circuit 49 and the synchronization of the control circuit 37, via the circuit 50. The results are transmitted to the terminal 51 which can be for example a printer, a graphic recorder or a digital data medium such as the perforated tape, the disc or the magnetic tape, or in any other form of support.

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

B B

4 feuilles dessins 4 sheets of drawings

Claims (10)

634418634418 1. Appareil pour la mesure automatique à distance du profil vertical du vent tridimensionnel, caractérisé par le fait qu'il comprend un radar acoustique doppler mesurant successivement trois composantes du vecteur vent dans trois directions différentes au moyen d'une seule antenne acoustique orientable. 1. Apparatus for the automatic remote measurement of the vertical profile of the three-dimensional wind, characterized in that it comprises an acoustic doppler radar successively measuring three components of the wind vector in three different directions by means of a single orientable acoustic antenna. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif électronique effectuant le calcul de la période moyenne du signal sonore reçu en écho. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises an electronic device performing the calculation of the average period of the sound signal received in echo. 2 2 revendicatioìns claims 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif électromécanique permettant d'orienter successivement l'antenne acoustique dans trois directions quelconque différentes. 3. Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises an electromechanical device for successively orienting the acoustic antenna in any three different directions. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif électromécanique permettant d'orienter l'antenne acoustique selon deux azimuths différents, l'élévation restant constante. 4. Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises an electromechanical device for orienting the acoustic antenna according to two different azimuths, the elevation remaining constant. 5. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif électronique effectue le calcul de la période moyenne pendant un temps de l'ordre de grandeur de la durée de l'impulsion sonore émise. 5. Apparatus according to claim 2, characterized in that the electronic device performs the calculation of the average period for a time of the order of magnitude of the duration of the sound pulse emitted. 6. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la période moyenne est mesurée par un compteur relié à un oscillateur, qu'il est enclenché au temps correspondant à l'altitude de mesure et qu'il est enclenché par un 2e compteur lorsque le nombre de périodes correspondant au temps de mesure est atteint. 6. Apparatus according to claim 2, characterized in that the average period is measured by a counter connected to an oscillator, that it is started at the time corresponding to the measurement altitude and that it is started by a 2nd counter when the number of periods corresponding to the measurement time is reached. 7. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la période moyenne est mesurée par un périodemètre, relié à un convertisseur digital analogique suivi d'un circuit intégrateur d'une constante de temps égale au temps de mesure. 7. Apparatus according to claim 2, characterized in that the average period is measured by a period meter, connected to a digital analog converter followed by an integrator circuit with a time constant equal to the measurement time. 8. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un convertisseur fréquence-tension dont la constante de temps est égale au temps de mesure. 8. Apparatus according to claim 2, characterized in that it comprises a frequency-voltage converter whose time constant is equal to the measurement time. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un microordinateur qui effectue les calculs du vecteur vent et d'altitude, et qui commande la gestion de l'appareil. 9. Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises a microcomputer which performs the calculations of the wind vector and altitude, and which controls the management of the apparatus. 10. Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit mesurant le profil de la température, que ce circuit transmet les données de température au microordinateur, et que ce dernier comporte une mémoire contenant le logiciel destiné à améliorer la précision de la mesure du vecteur vent. 10. Apparatus according to claim 7, characterized in that it comprises a circuit measuring the temperature profile, that this circuit transmits the temperature data to the microcomputer, and that the latter comprises a memory containing the software intended to improve the wind vector measurement accuracy.
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