FR2621702A1 - Procede et dispositif de compensation des effets gyromagnetiques sur un magnetometre a resonance gyromagnetique nucleaire - Google Patents

Abstract

Le mouvement de rotation du magnétomètre 100, par rapport au champ magnétique H à mesurer, étant décomposé en mouvements de rotation élémentaires autour de trois axes, on mesure, pour chaque axe autour duquel une rotation du magnétomètre 100 entraîne une rotation de ses liquides 2, 2', la vitesse de rotation correspondante P, Q, R du magnétomètre 100. A l'aide d'un magnétomètre auxiliaire 7 on mesure les composantes Hx , Hy , Hz du champ magnétique H et on retranche du signal de mesure SH de l'intensité H du champ magnétique H, issu du magnétomètre 100, un signal d'estimation d'erreur SE , égal à la somme des produits P.hx + Q.hy + R. hz de chaque vitesse de rotation mesurée par la projection, sur l'axe correspondant, d'un vecteur unitaire ayant la direction dudit champ magnétique. L'invention s'applique en particulier à la mesure des variations du champ magnétique terrestre.

Description

La présente invention a tout d'abord pour objet un pro
cédé de compensation des effets gyromagnétiques affectant la mesure de l'intensité d'un champ magnétique à mesurer, par un magnétomètre à résonance magnétique nucléaire, en déplacement dans ce champ et comprenant au moins une cellule remplie d'un fluide , au moins un enroulement disposé au voisinage de la cellule,des moyens pour exciter les noyaux des atomes du fluide , et des moyens pour mesurer la fréquence du signal induit dans ledit enroulement par la précession desdits noyaux soumis audit champ magnétique, et délivrer un signal de mesure de l'intensité dudit champ magnétique.

L'invention s'applique en particulier à la compensation des effets gyromagnétiques qui affectent la mesure de l'inten
sité du champ magnétique terrestre, ou des variations de cette intensité, à l'aide d'un magnétomètre à champ total.

De telles mesures sont utilisées à des fins de prospection, ou encore de détection de masses magnétiques en déplacenent relatif par rapport au magnétomètre.

Comme cela est connu, l'effet gyromagnétique est un effet perturbateur lié aux mouvements de rotation du magnétomètre par rappcrt à un repère lié au champ magnétique a mesurer et il se manifeste donc, dans le cas où on mesure l'intensité du champ magnétique terrestre, lorsque le magnétomètre n'est pas immobile par rapport à ce repère. L'effet gyromagnétique doit donc être compensé en particulier lorsque le magnétométre est porté par un engin mobile, par exemple un avion, ou encore lorsque le magnétometre, utilisé pour des mesures sous-marines, est disposé à la surface de lteau, ou dans 1'eau, et se trouve soumis à iB mouvements dus as au milieu mdn.A titre d'exemple, dans le cas où le porteur est un avion, l'effet gyromagnétique se manifeste par le fait que, dans une zone où le champ magnétique terrestre est uniforme, la fréquence du signal induit dans l'enroulement est affectée de variations si l'avion est affecté de mouvements de roulis, de tangage ou de lacet, ce qui est évidemment inévitable. Ceci est à l'origine d'erreurs de mesures souvent incompatibles avec la très grande précision avec laquelle on désire conaaitre l'intensité du champ magnétique mesuré.

On connatt déjà un procédé du type défini ci-dessus, par la demande française nO 2 132 388. Ce document décrit un procédé dans lequel on mesure la vitesse de rotation de l'engin porteur autour d'une direction, et on applique à la cellule du magnétomètre un champ magnétique de compensation, parallèle à cette direction, et proportionnel à la vitesse de rotation mesurée. Par exemple, pour compenser effet gyromagnétique du à la vitesse de lacet, on mesure cette vitesse autour de la direction verticale, et on applique à la cellule du magnétomètre un champ de compensation vertical.Ce procédé, s'il peut donner des résultats satisfaisants dans certains cas particuliers, comme par exemple le cas idéal où l'avion porteur ne serait affecté que de lacet, est mal adapté au cas réel où l'avion est affecté simultanément de roulis, de tangage et de lacet.

En effet, l'application simultanée de plusieurs champs de compensation est d'une mise en oeuvre lourde, et qui manque de souplesse.

La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents. À cet effet, elle a pour objet un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé par le fait que - on mesure les composantes, dans un repère lié à ladite cellule,dudit champ magnétique dont on veut connattre l'intensité avec précision, - on mesure, pour chaque axe dudit repère autour duquel une
rotation de ladite cellule entraîne une rotation dudit fluide , la vitesse de rotation de ladite cellule autour
dudit axe,
- on calcule les composantes d'un vecteur unitrire ayant iFectsn
dudit champ magnétique, sur chacun des axes précédents,
- on multiplie chaque vitesse de rotation mesurée, par
la composante dudit vecteur unitaire sur l'ase correspon
dant,
- on somme les produits obtenus,
- on retranche la somme obtenue, qui représente un signal
d'estimation de terreur due aux effets gyromagnétiques,
dudit signal de mesure.

Avec le procédé de l'invention, la compensation obtenue
est efficace, même dans les cas où ltengin porteur est af
fecté de mouvements complexes, c'est-à-dire résultant de
roulis, tangage et lacet simultanés, car la modélisation
de l'effet gyromagnétique qui lui sert de base est très
proche de la réalité. De plus, compte-tenu du fait que la
compensation est obtenue en retranchant un signal d'estima
tion d'erreur au signal de mesure délivré par le magnéto
mètre, la mise en oeuvre du procédé ne nécessite pas un
matériel spécifique autour du magnétomètre à résonance ma
gnétique et peut être faite grâce à des dispositifs de
mesure et des composants de type conventionnel.

Dans une première mise en oeuvre du procédé de l'invention,
ladite cellule présentant une symétrie de révolution
autour d'un axe,
- on prévoit des moyens pour entraSner ledit fluide en
rotation lorsque ladite cellule tourne autour dudit axe
de symétrie,
- on mesure les trois vitesses de rotation de ladite cel
lule autour des trois axes dudit repère, et,
- on calcule les trois composantes dudit vecteur unitaire
sur les trois axes dudit repère.

Dans une autre mise en oeuvre du procédé de l'invention, ladite cellule présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, - on choisit ledit repère pour qu'un de ses trois axes coïncide avec ledit axe de symétrie, - on mesure seulement les deux vitesses de rotation de ladite cellule autour des deux autres axes dudit repère,et, - on calcule seulement les deux composantes dudit vecteur unitaire sur les deux autres axes dudit repère.

Dans la première mise en oeuvre du procédé de l'invention, on obtient une compensation rigoureuse car on tient compte des déplacements réels du fluide, mais il est nécessaire de mesurer et de prendre en compte les trois vitesses de rotation de la cellule.

Dans la deuxième mise en oeuvre du procédé de l'invention, on ne mesure, et on ne tient compte que de deux vitesses de rotation, ce qui est plus simple que dans la mise en oeuvre précédente, mais la compensation obtenue est moins rigoureuse. En effet, le fait de ne pas tenir compte de la vitesse de rotation autour de l'axe de symétrie de révolution de la cellule revient à supposer que le fluide reste immobile dans la cellule lorsque celle-ci est animée d'un mouvement de rotation autour de cet axe de symétrie. Cette hypothèse n'est que partiellement vraie, car les couches de
fluide proches de la paroi de la cellule sont toujours au moins faiblement entrainées. Toutefois, les fluides utlsés étmt de faible viscosité, les erreurs qui réstittent du phénomène précédent sont negligeables dans les applications aéroportées.

Avantageusement, on multiplie en outre chaque produit par un terme correctif, ne dépendant que de la direction dudit champ magnétique, et dont la loi de variation, en fonction des angles définissant cette direction, est déterminée pour que ledit signal d'estimation de l'erreur corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement.

On obtient ainsi une compensation particulièrement efficace.

La présente invention a également pour objet un dispositif, pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend, - des moyens, pour mesurer les compoBrtes, dans un repère lié à ladite cellule, dudit champ magnétique dont on veut connaltre l'intensité avec précision, - des moyens pour mesurer, pour chaque axe dudit repère autour duquel une rotation de ladite cellule a pour conséquence une rotation dudit fluide , la vitesse de rotation de ladite cellule autour dudit axe, - des moyens pour calculer la composante d'un vecteur unitaire ayant la direction dudit champ magnétique, sur chacun des axes précédents, - des moyens pour multiplier chaque vitesse de rotation mesurée, par la composante dudit vecteur unitaire sur l'axe correspondant, - des moyens pour additionner les produits obtenus, - des moyens pour retrancher la somme obtenue, qui représente un signal d'estimation de terreur due aux effets gyromagnétiques, dudit signal de mesure.

La présente invention sera mieux comprise grâce à la description suivante de la mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention et dtune forme de réalisation préférée du dispositif de l'invention, faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente un schéma par blocs du dispositif de compensation selon l'invention, - la figure 2 représente, de façon plus détaillée, le circuit électronique associé au magnétomètre utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 3 représente, de façon plus détaillée, le dispositif de mesure des composantes du champ magnétique, utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 4 représente, de façon plus détaillée, le dispositif de mesure des vitesses de rotations, utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 9 représente l'avion portant le magnétomètre utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 6 est une vue agrandie d'un détail de la figure 5, nontrant la disposition des cellules du magnétomètre utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 7 montre la configuration du champ magnétique à mesurer, dans le repère lié à l'avion de la figure 5, - la figure 8 montre la configuration correspondante et les angles d'Euler du vecteur unitaire de la direction du champ magnétique de la figure 7, - la figure 9 représente un schéma par blocs d'une première variante de réalisation du dispositif de compensation selon l'invention, - la figure 10 représente une deuxième variante de réalisa tion/ z w dispositif de compensation selon l'invention, - la figure 11 représente une vue éclatée d'une cellule du magnétomètre utilisé dans le dispositif de la figure 1, - la figure 12 représente une vue éclatée d'une cellule du magnétomètre utilisé dans le dispositif de la figure 9,
ou dans celui de la figure 10, et,
- la figure 13 représente une vue d'une variante
de réalisation de la cellule de la figure il.

En se référant à la figure 1, un procédé et un dispositif
de compensation des effets gyromagnétiques affectant la
mesure de l'intensité H d'un champ électromagnétique
par un magnétomètre 100 à résonance magnétique nucléaire sa maintenant décrits.

Dans le but de simplifier l'écriture, et comme il est légi
time de le faire dans les applications considérées, on
utilisera, pour désigner un champ magnétique, la notation réservée aux vecteurs ordinaires, alors qu'en toute
rigueur, ce champ magnétique doit Autre noté H , puisqu'il
sfagit en fait d'un vecteur axial, représentant un tenseur
antisymétrique d'ordre 2.

Dans l'exemple décrit ici, le champ magnétique à mesurer
est le champ magnétique terrestre H , et le magnétomètre
100 est porté par un avion 6, représenté sur les figures
5 et 6.

De façon connue, on s'intéresse aux variations de l'inten
sité H du champ terrestre H , et on utilise les mesures
soit à des fins de prospection, pour une meilleure connais
sance du champ terrestre, soit à des fins de détection,
pour localiser une ou plusieurs masses magnétiques en dé
placement relatif par rapport à l'avion 6, à partir de la
mesure des perturbations du champ terrestre H liées à la
présence de ces masses magnétiques.

Compte-tenu de l'ordre de grandeur des variations précédentes, il importe que les mesures de l'intensité du champ soient faites avec une grande précision relative, de l'ordre de 10 7.

Avant d'aborder la description du procédé et du dispositif de compensation en eux-mêmes, le magnétomètre 100, et son fonctionnement, sont brièvement décrits.

Le magnétomètre 100, à résonance magnétique nucléaire, est du type connu comprenant deux cellules identiques 1 et 1',
ifluides, ci et respectivement. des/ contenant des liquides 2 et 2' respectivement. Les cellules 1 et 1' aiterrt ici une symétrie de révolution et sont disposées pour que leurs axes Os de symétrie de révolution soient confondus. Sur les dessins, et dans un souci de simplicité, les cellules 1 et 1' ont été schématisées sous forme de cylindres circulaires, mais ceci n'est pas obligatoire, et en pratique, des formes plus complexes sont utilisées, comme celles décrites en particulier dans
la demande française No. 2 583 887.

Un enroulement 3, présentant ici une symétrie de révolution autour du mtme axe que les cellules 1 et 1', est disposé autour de ces cellules 1 et 1'.

L'enroulement 3 est relié à un circuit électronique 3 qui délivre ici sur un bus de sortie un signal SH sous forme numérique.

Le circuit électronique 5 comprend, en référence à la figure 2, un oscillateur 51 incluant l'enroulement 3 dans sa boucle de réaction, et un fréquencemètre 52 mesurant la fréquence du signal en sortie de l'oscillateur 51, et déli vrant le signal SH.

Un générateur 4, dit de "pompage électronique", délivre un signal dont la fréquence, généralement de l'ordre de quelques dizaines de HEZ,wi environ 60 MHZ. Ce signal est appliqué à des électrodes, non représentées car connues, dont sont pourvues les cellules 1 et 1', de façon à ce que les cellules 1 et 1' se trouvent soumises à l'action d'un champ électromagnétique crée par le signal issu du générateur de pompage 4.

De façon connue, les cellules 1 et 1' sont remplies de iiquides 2 et 2' respectivement, choisis pour que les noyaux des atomes des liquides 2 et 2' soient excités par le champ du au générateur de pompage 4 et pour que, lorsque ces noyaux précessionnent dans le champ magnétique tt seul un signal à la fréquence de Larmor F, soit induit dans l'enroulement 3 par la précession des noyau.

I1 est connu que la fréquence de Larmor FL est liée à l'intensité H du champ magnétique H à mesurer par la relation
FL = 0,042576 H (1) la fréquence FL étant exprimée en Hz et l'intensité H du champ magnétique en 7 (le T est une unité bien connue de l'homme de métier, qui correspond à une induction magnétique de 10 -9 Tesla, c'est-à-dire, dans l'air, à un champ magné- tique de
En fait, l'enroulement 3, vu de ses bornes, se comporte comme un résonateur dont la pseudo-période est égale à l'inverse de la fréquence de Larmor.

L'oscillateur 51 oscille donc à la fréquence de Larmor, et le fréquecemètre 52 délivre un signal de mesure SH qui mesure donc l'amp2L H, ici au coefficient 0,042576 près, coefficient qui n'est autre que le rapport gyromagnétique du proton.

À titre d'exemple, lorsque l'intensité H du champ magnétique vaut 50 000 y, ce qui est une valeur typique pour le champ magnétique terrestre, la fréquence de Larmor vaut
FL = 2128,8 Hz (2)
L'oscillateur 51 et le fréquencemètre 52 permettent la mesure de cette fréquence FL et délivrent un signal SH qu'il suffit de diviser par 0,042576 pour obtenir la valeur de l'intensité H du champ magnétique.

Comme cela est connu, ce résultat n'est rigoureux que lorsque les liquides 2 et 2' ne sont animés d'aucun mouvement de rotation par rapport au champ magnétique terrestre H . Dès lors que les liquides 2 et 2' sont en rotation par rapport au champ magnétique terrestre, l'effet gyromagnOti- que est tel que ltoscillateur 31 n'oscille plus à la fréquence de Larmor telle que définie par la relation (1), mais à une fréquence F légèrement différente.

Or le mouvement des liquides 2 et 2' est lié au mouvement des cellules 1 et 1', c'est-à-dire au mouvement de l'avion 6, dont le magnétomètre 100 est solidaire.

Ainsi, lorsque l'avion subit des mouvements de roulis, tangage et lacet, des effets gyromagnétiques affectent la précision de la mesure de l'intensité H du champ magnétique.

Le procédé et le dispositif de l'invention prévoient donc la compensation de ces effets.

Avant d'aborder la description du procédé et du dispositif de compensation, quelques conventions sont précisées.

On choisira comme repère lié aux cellules 1 et 1' le repère Ox y z lié à l'avion 6, c'est-à-dire le repère trirectangle direct dont - l'axe Os est l'axe du fuselage, orienté vers l'avant
de l'avion 6, - l'axe Oy est parallèle aux ailes, et orienté vers la
droite de l'avion 6, et, - l'axe Oz est donc orienté vers le bas de l'avion 6. Le
repère Ox y z est représenté sur la figure 5.

Dans ces conditions, et comme le montre aussi la figure 5, on appele - P la vitesse de rotation de l'avion, exprimée en tours
par seconde, autour de l'axe Ox, c'est-à-direla la vitesse
de roulis, - Q la vitesse de rotation de l'avion, exprimée en tours
par seconde, autour de l'axe Oy, c'est-à-dire la vitesse
de tangage, et, - R la vitesse de rotation de l'avion, exprimée en tours
par seconde, autour de l'ase Oz, c'est-à-dire la vitesse
de lacet.

Comme le montre la figure 7, les composantes, sur les axes
Ox, Oy et Oz, du champ H sont notées Hx, Hy et Hz respectivement, et on appelle a et I les angles d'Euler de la direction du champ r , c'est-à-dire :
a = Arc tg (Hy / Hx) (3)

Comme le montre la figure 8, les composantes, sur les axes
Ox, Oy et Oz, du vecteur unitaire uH porté par la direction du champ H sont notées h=, h et h respectivement.

L'axe de symétrie de révolution des cellules 1 et 1' est ici l'axe Ox, tel que le représente la figure 6, sur laquelle, dans un souci de simplicité, on n'a représenté ni l'enroulement 3 ni le reste du magnétomètre 100.

La figure Il représente une vue éclatée de la cellule 1, à l'intérieur de laquelle sont disposées des ailettes 11, ici planes et parallèles à l'axe Ox, pour entratner le liquide 2 en rotation lorsque la cellule 1 tourne autour de l'axe Os. Comme le montre la figure 13, on peut prévoir, à l'intérieur de la cellule, et au lieu des ailettes 11, un autre dispositif d'entraSnement du liquide 2, par exemple un cloisonnement total obtenu par division de la cellule en au moins deux parties identiques 12. La cellule 1', non représentée sur les figures 11, et 13. est, dans chaque cas, identique à la cellule 1.

En revenant maintenant à la figure 1, le dispositif de compensation de l'invention est maintenant décrit.

Un dispositif 7, de mesure des composantes du champ magnétique H, délivre trois signaux Hx, H et H , ici sous
y forme numérique, sur trois bus de sortie.

Un dispositif 8, de mesure des vitesses de rotation, délivre trois signaux P, Q et R, ici sous forme numérique, sur trois bus de sortie.

Un circuit de calcul 9, agencé pour calculer, a partir des si gnLx HX,Hy et H les trois composantes du vecteur unitaire
z uH' délivre trois signaux h , h y et hz, ici sous forme numérique, sur trois bus de sorties.

Trois multiplicateurs numériques 10, identiques, calculent les trois produits P. hx, Q. h et R. h de chaque vitesse
y z de rotation autour d'un axe, avec la composante de vecteur unitaire E sur l'axe correspondant, respectivement.

Un additionneur numérique 11 calcule la somme SE des trois produits précédents, qui, comme cela sera mieux compris dans la suite, représente le signal d'estimation de l'er- reur due aux effets gyromagnétiques.

Un soustracteur numérique 12 retranche, du signal de mesure SH, le signal SE pour obtenir un signal corrigé.

Avant de décrire, de façon plus détaillée, les dispositifs de mesure 7 et 8 et le circuit de calcul 9, on peut noter que le signal SE d'estimation de l'erreur vaut donc
SE = P- hx + Q. h + R. h z (5)
y
Cette valeur a été établie par la demanderesse à partir de 11 étude théorique de l'effet gyromagnétique.

Pour ce faire, la demanderesse a écrit les équations d'évo- lution de l'aimantation X , ou équations de Bloch, bien connues de l'homme de métier, pour une goutte de chacun des liquides 2 ou 2', en se plaçant dans un repère lié à ce liquide, et en supposant ce repère animé, par rapport à un repère géomagnétique, de mouvements de rotation quelconque.

Dans le cas considéré, où les cellules 1 et 1' sont pourvues d'ailettes 11, les liquides 2 et 2' sont solidaires des cellules 1 et 1' et on peut donc considérer que le repère
Ox y z est lié au liquide 2, comme au liquide 2'.

Par repère géomagnétique, on entend un repère trirectangle direct OXYZ dont - l'axe OX est orienté suivant le Nord magnétique.

- l'axe OY est orienté, perpendiculairement au Nord ma
gnétique et sensiblement vers l'Est, et, - l'axe OZ est orienté verticalement vers le centre de la
terre.

La rotation du repère Ox y z est représentée par un vecteur de rotation f dont les trois composantes sont les trois vitesses de rotation instantanées du repère lié au liquide autour de chacun des axes OX, OY, OZ.

A partir des équations d'évolution de l'aimantation dans le repère lié au liquide la demanderesse a montré que la différence entre la fréquence F de ltoscillateur 51 et la fréquence F de l'oscillateur 51 et la fréquence FL de
Larmor, telle que définie par la relation (i) vaut sente blement
-4 --4
F = FL + A UH (6)
Les trois composantes du vecteur rotation t exprimées dans le repère Ox y z étant alors les vitesses P, Q, et R de roulis, tangage et lacet, respectivement, la formule (5) se trouve justifiée.

On décrit maintenant, de façon plus détaillée, les dispositifs de mesure 7 et 8 et le circuit de calcul 9.

Le dispositif 7 de mesure de la direction du champ magnétique t comprend ici, en référence à la figure 3, un magnétomètre 70, suivi d'un convertisseur analogiquenumérique 71.

Le magnétomètre 70 est un magnétomètre triaxial de type connu, par exemple "Fluxgate", qui délivre trois signaux analogiques proportionnels aux trois composantes Hx, H et
y
Hz du champ magnétique t dans le repère Ox y z, et représentées sur la figure 7. Naturellement, il n'est pas nécessaire que le magnétomètre 70 soit très précis, une précision relative de 10 3 étant suffisante, ce qui est na- turellement beaucoup moins que la précision relative de que 9ue l'on recherche avec le magnétomètre à résonance magnétique nucléaire 100, tout au moins en ce qui concerne l'amplitude H du champ magnétique t
Le convertisseur analogique-numérique 71 convertit les signaux analogiques de sortie du magnétomètre en signaux numériques représentant les valeurs de Hx, Hy et Hz.

Le dispositif 8 de mesure des vitesses de rotation comprend ici, en référence à la figure 4, une centrale gyrométrique 80 et un convertisseur analogique-numérique 81.

La centrale gyrométrique 80 est de type connu qui délivre trois signaux analogiques proportionnels aux vitesses de rotation en roulis selon Ox, en tangage selon Oy et en lacet selon Oz de l'avion, ces trois signaux analogiques étant convertis en signaux numériques P, Q et R respectivement par le convertisseur analogique-numérique 81.

Ici, les liquides 2 et 2' étant entrainés comme les cellules i et 1', une rotation des cellules i et 1' autour de l'un quelconque des trois axes a pour conséquence une rotation des liquides 2 et 2', et le dispositif 8 mesure chaque vitesse de rotation des cellules 1 et 1' autour de chacun de ces trois axes Ox, Oy Oz.

Le circuit de calcul 9 comprend par exemple un microprocesseur pour calculer1 à partir des signaux numériques H , H et Hz, les signaux numériques hx, h et h qui repré
y y z sentent les composantes, sur les trois axes Ox, Oy et Oz, respectivement, du vecteur unitaire uH porté par la direction du champ magnétique t dont les angles d'Euler sont et I, composantes représentées sur la figure 8.

Le circuit de calcul 9 calcule hx, hy et hz à partir des
y hz relations suivantes

La figure 9 représente une première variante de réalisation du dispositif de compensation. Dans cette variante, on utilise un magnétomètre lOOa identique en tous points au magnétomètre 100, à ceci près que les cellules la et l'a ne comprennent pas d'ailettes et ne sont pas divisées.

Comme le montre la figure 12, à l'intérieur de la cellule la, rien n'entrain le liquide 2 lorsque la cellule la tourne autour de l'axe Ox. La cellule l'a, non représentée sur la figure 12, étant identique à la cellule la, on peut admettre que les liquides 2 et 2' restent immobiles lorsque les cellules 1 et 1' tournent autour de l'axe Ox.

Dans ces conditions, le repère lié au liquide n'est plus le repère Ox y z mais un repère Ox Ya Za dont les compo santes du vecteur rotation n a sont identiques à celles du vecteur rotation # en ce qui concerne les rotations autour des axes OY et OZ, mais dont la composante concernant la rotation autour de l'ase OX est nulle.Les relations (6) et (5) deviennent les relations (6a) et (5a), respectivement, dans lesquelles les composantes de #a sont exprimée s dans le repère Oxyz
Fa = FL + #a . uH (6a)
SEa = Q. hy + R. hz (5a) I1 en résulte une simplification évidente du schéma du dispositif de compensation, puisque ni la vitesse de roulis
P, ni la composante hx n'interviennent maintenant.

Le dispositif 8a est analogue au dispositif 8, mais il ne délivre que les signaux Q et R de tangage et de lacet, respectivement.

Le circuit de calcul 9a est analogue au circuit de calcul 9, mais ne délivre que les signaux h et h
y z
Les multiplicateurs numériques 10 sont alors au nombre de deux sealement et l'additionneur numérique lla calcule seulement la somme des deux produits Q.hy et R.hz.

Ici, les liquides 2 et 2' n'étant entraînés en rotation, par les cellules la et l'a, qu'autour des axes Oy et Oz, le dispositif 8 ne mesure que les vitesses de rotation des cellules la et l'a autour de ces axes Oy et Oz.

Comme cela a déjà été signalé, la variante de réalisation de la figure 9 représente évidemment une simplification par rapport au dispositif de la-figure 1, mais, compte tenu du fait que l'hypothèse selon laquelle les liquides 2 et 2' restent immobiles autour de l'axe Ox ntest pas totalement vérifiée, la compensation obtenue est moins précise, bien que suffisante pour les applications aéroportées usuelles.

Une deuxième variante de réalisation est représentée sur la figure 10. Comme on peut le constater sur cette figure, le dispositif est comparable à celui de la figure 9, à ceci près qu'il est prévu deux multiplicateurs numériques supplémentaires 16 et 17, pour multiplier les produits Q.hy et R.hz, respectivement, par deux termes correctifs 0y et cz respectivement, introduits pour tenir compte de la géométrie des lignes du champ créée par les enroulements 2 et 2'.

Le signal d'estimation de l'erreur devient SEb avec
SEb = Q. hy. cy + R. hz. cz (10)
Les termes correctifs cy et 0z sont calculés par des circuits de calcul 14 et 15, respectivement, à partir de signaux a et I délivrés par un circuit de calcul 13, et selon les formules suivantes

Le circuit 14 est agencé, de façon connue, pour donner à cy la valeur 1 au cas où a et I sont nuls simultanément.

Le circuit 15 est agencé, de façon connue, pour donner à cl et à c22 la valeur O au cas où a et I sont nuls simultanément.

Le circuit de calcul 13 est agencé, de façon connue, pour calculer les signaux numériques a et I représentatifs des angles d'Euler de la direction du champ magnétique t à partir des signaux h H y et Ez, d'après les relations (3) et (4) ci-dessus.

La demanderesse a établi les expressions des coefficients c et 0z à partir d'observations expérimentales, qui ont montré que la relation (5a), fournissant déjà une bonne estimation de l'erreur, pouvait être améliorée. À cet effet, la demanderesse a procédé à des mesures, dans un champ exactement connu, de façon à-mesurer expérimentalement l'erreur commise avec le dispositif de la figure 9. La demanderesse a ensuite déterminé les lois de variation correspondant aux relations (11) et (12) pour que le signal
SEb corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement, dans ces cas typiques.

Ainsi, la demanderesse a pu mettre en évidence le fait qu'il était possible d'obtenir une compensation très satisfaisante en introduisant des termes correctifs ne dépendant que de la direction du champ magnétique t dans le repère Ox y z lié à l'avion.

Comme on peut le vérifier à partir des formules (11) et (12), il apparat que sous des latitudes moyennes ou élevées, pour lesquelles l'angle I, définissant l'inclinaison du champ magnétique par rapport au plan x O y sensiblement horizontal, reste supérieur ou égal à 600, en module, les termes correctifs cy et c restent voisins de i quille que soit la valeur de l'angle a qui représente en fait l'angle de cap de l'avion par rapport au nord magnétique.

Par contre, lorsqu'on se rapproche de l'équateur, l'angle
I devient faible et l'influence de l'angle a se fait sentir sur la valeur des termes correctifs Cy et cz. z
Naturellement, la portée de la présente demande n'est pas limitée à la description qui vient d'être faite. C'est ainsi, en particulier qu'il n'est pas obligatoire d'utiliser un magnétomètre à résonance magnétique nucléaire à deux cellules comme les magnétomètres 100 et l00a, un magnétomètre à une seule cellule pouvant, dans certains cas, donner des résultats satisfaisants.

De même, le dispositif et le procédé de l'invention ne sont pas limités à des cas où le magnétomètre à résonance magnétique nucléaire est monté à bord d'un avion, et ils peuvent s'appliquer au cas où le magnétomètre est monté à bord d'une sonde sous-marine, par exemple, soumise aux mouvements dus au milieu marin. Dans les cas où il ntest pas possible d'utiliser des gyromètres, et lorsque l'on veut connaitre des vitesses de rotation très faibles, on peut utiliser un dispositif comprenant deux accéléromètres sensibles selon les axes Ox et Oy, ou encore deux inclinomètres, de type pendule, dans des plans verticaux xOz et yOz.

Dans ce cas, on calcule à partir des signaux en sortie des accéléromètres, ou des inclinomètres, les valeurs de deux angles définissant la direction instantanée de l'accélération g de la pesanteur dans le repère Oxyz, ainsi que les dérivées de ces angles. A partir des composantes instantanées Hx, Hy, et Hz du champ magnétique en sortie du magnétomètre trois axes, on calcule les dérivées de ces composantes.

On arrive ainsi, à partir des valeurs des angles et de leurs dérivées, ainsi que des valeurs des composantes Ex, Hy et Hz et de leurs dérivées, à calculer les vitesses de rotation
P, Q et R. Naturellement, cette méthode suppose que les accélérations dues aux rotations que l'on souhaite mesurer restent faibles par rapport à l'accélération de la pesanteur, ce qui est vérifié en pratique.

Enfin, il est évident pour un homme de métier que les fonctions des circuits de calcul 72, 9 ou 9a, des multiplicateurs 10, des additionneurs 11 et lla du soustracteur 12 peuvent outre avantageusement assurées par un unique circuit de calcul à microprocesseur, qui peut aussi, si cela est nécessaire, diviser le signal de sortie du soustracteur 12 par le rapport gyromagnétique du proton, pour obtenir un signal de sortie dont la valeur numérique représente l'intensité du champ magnétique dans la bonne unité, par exemple en
Naturellement, lorsque lton utilise un magnétomètre tel que les trois vitesses P, Q, R doivent entre mesurées, comme cela est le cas, par exemple, sur la figure 1, il est évidemment possible, pour compenser les erreurs dues à la géométrie des lignes du champ a ée par les enroulements, de prévoir la multiplication des trois produits P.h , Q.hy et R.hz par trois coefficients cx, cy et cz, respectivement, déterminés comme cela a été décrit dans le cas représenté sur la figure 10.

Claims (12)

Revendications

1. Procédé de compensation des effets gyromagnétiques affectant la mesure de l'intensité (R) d'un champ magnétique (tut) à mesurer, par un magnétomètre (100; lO0a) à résonance magnétique nucléaire, en déplacement dans ce champ et comprenant au moins une cellule (1; la) remplie d'un fluide (2), au moins un enroulement (3) disposé au voisinage de la cellule, des moyens (4) pour exciter les noyaux des atomes du fluide (2), et des moyens (5) pour mesurer la fréquence du signal induit dans ledit enroulement (3) par la précession desdits noyaux soumis audit champ magnétique (H) et délivrer un signal de mesure (SE) de l'intensité (H) dudit champ magnétique (W > ), procédé caractérisé par le fait que, - on mesure les composantes (Hx, Hy, HZ), dans un repère (Ox y z) lié à ladite cellule (l;la), dudit champ magnétique (W > ) dont on veut connattre l'intensité (H) avec précision, - on mesure, pour chaque axe (Ox, Oy, Oz; Oy, Oz) dudit repère autour duquel une rotation de ladite cellule (1; la) entraine une rotation dudit fluide (2), la vitesse de rotation (P, Q, R; Q, R) de ladite cellule autour dudit axe, - on calcule les composantes (h=, hy, hz; hy, hz) d'un vecteur unitaire (uH) ayant la direction dudit champ magnétique, sur chacun des axes précédents (Ox, Oy, Oz; Oy, Oz), - on multiplie chaque vitesse de rotation (P, Q, R; Q, R) mesurée, par la composante (hx, hy, hz; hy, hz) dudit vecteur unitaire (u) sur l'axe correspondant, - on somme les produits obtenus (P.h , Q.hy, R.hz;Q.hy,

x R.hz), - on retranche la somme obtenue (SE; SEa; SEb), qui représente un signal d'estimation de l'erreur due aux effets gyromagnétiques dudit signal de mesure

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, ladite cellule (1) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe (Ox), - on prévoit des moyens (11; 12) pour entraîner ledit fluide (2) en rotation lorsque ladite cellule (l) tourne autour dudit axe de symétrie (Ox), - on mesure les trois vitesses de rotation (P, Q, R) de ladite cellule (1) autour des trois axes (Ox, Oy, Oz) dudit repère, et, - on calcule les trois composantes (hx, hy, hz) dudit vecteur unitaire (u) sur les trois axes (0x, Oy, Oz) dudit repère.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel on multiplie en outre chaque produit (P.h , Q.hy,

x

R.hz) par un terme correctif (cx, Cy, c ) ne dépendant que

z de la direction dudit champ magnétique, et dont la loi de variation, en fonction des angles (a, I) définissant cette direction, est déterminée pour que ledit signal d'estimation de l'erreur corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, ladite cellule (la) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, - on choisit ledit repère (Ox y z) pour qu'un (Ox) de ses trois axes coïncide avec ledit axe de symétrie, - on mesure seulement les deux vitesses de rotation (Q, R) de ladite cellule autour des deux autres axes (Oy, Oz) dudit repère, et, - on calcule seulement les deux composantes (h , dudit vecteur unitaire ( (uH) sur les deux autres axes (Oy, Oz) dudit repère.

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on multiplie en outre chaque produit (Q. hy, Ro hz) par un.

terme correctif (cy, cz) ne dépendant que de la direction dudit champ magnétique, et dont la loi de variation, en fonction des angles (a, I) définissant cette direction, est déterminée pour que ledit signal (SEb) d'estimation de l'erreur corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement.

6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, en appelant Ox ledit axe de symétrie, Oy et Oz les deux autres axes dudit repère, et a et I les angles d'Euler définissant la direction dudit champ magnétique, - le terme correctif cy par lequel on multiplie le produit (Q. hy) correspondant à la rotation (Q) autour de l'axe Oy vaut

- le terme correctif c z par lequel on multiplie le produit (R. hz) correspondant à la rotation (R) autour de l'axe Oz vaut

avec

7.Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, de compensation des effets gyromagnétiques affectant la mesure de l'intensité (z) d'un champ magnétique (W > ) à mesurer, par un magnétomètre (100; l00a) à résonance magnétique nucléaire, en déplacement dans ce champ et comprenant au moins une cellule (1; la) remplie d'un fluide (2), au moins un enroulement (3) disposé au voisinage de la cellule, des moyens (4) pour exciter les noyaux des atomes du fluide (2), et des moyens (5) pour mesurer la fréquence du signal induit dans ledit enroulement (3) par la précession desdits noyaux soumis audit champ magnétique (H ?, et délivrer un signal de mesure (SH) de l'intensité (H) dudit champ magnétique ( e , dispositif caractérisé par le fait qu'il comprend, - des moyens (7), pour mesurer les composantes (Hx, Hy, Hz), dans un repère (Ox y z) lié à ladite cellule (1; la), dudit champ magnétique (W > ) dont on veut connaître l'intensité (E) avec précision, - des moyens (8; 8a) pour mesurer, pour chaque axe (Ox, Oy,

Oz; Oy, Oz) dudit repère autour duquel une rotation de ladite cellule (1) a pour conséquence une rotation dudit fluide (2), la vitesse de rotation (P, Q, R; Q, R) de ladite cellule autour dudit axe, - des moyens (9; 9a) pour calculer les composantes (h=, h hz; hy, h ) d'un vecteur unitaire ( 4 ayant la direction

z dudit champ magnétique, sur chacun des axes précédents (Ox,

Oy, Oz; Oy, Oz), - des moyens (10) pour multiplier chaque vitesse de rotation (P, Q, R; Q, R) mesurée, par la composante (hx h , hz; hy, hz) dudit vecteur unitaire ( ) sur l'axe correspondant, - des moyens (11; 11a) pour additionner les produits obtenus (P.hx, Q.hy, R.hz; Q.hy, R.hz), - des moyens (12) pour retrancher la somme obtenue

SEa; SEb), qui représente un signal d'estimation de l'erreur due aux effets gyromagnétiques, dudit signal de mesure

8.Dispositif selon la revendication 7 dans lequel, ladite cellule (1) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe (Ox), - elle comprend des moyens (11; 12) pour entralner ledit

fluide (2) en rotation lorsque ladite cellule (1) tourne autour dudit axe de symétrie (Ox), - lesdits moyens (8) de mesure des vitesses de rotation sont agencés pour mesurer les trois vitesses de rotation (P, Q, R) de ladite cellule (1) autour des trois axes (Ox, Oy, Oz) dudit repère, - lesdits moyens (9) de calcul des composantes sont agencés pour calculer les trois composantes (h=, hy, hz) dudit vecteur unitaire (uH) sur les trois axes (Ox, Oy, Oz) dudit repère.

9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel il est prévu, de plus - des moyens reliés à la sortie desdits moyens (7) de mesure des composantes (Hx, Hy, Hz) du champ magnétique ( pour calculer des termes correctifs (c=, cy, cz), destinés à corriger lesdits produits (P.h=, Q.hy, R.hz), la loi de variation de ces termes correctifs (cx, cy, C z' en fonction des angles (a, I) définissant la direction dudit champ ma magnétique, étant déterminée pour que ledit signal d'estimation de l'erreur corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement, et, - des moyens pour multiplier lesdits produits (P.h=, Q.h

x y R.hz) par lesdits coefficients correctifs, respectivement.

10. Dispositif selon la revendication 7 dans lequel, ladite cellule (la) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, - un (Ox) des trois axes dudit repère (Ox y z) coïncide avec ledit axe de symétrie, - lesdits moyens (8a) de mesure des vitesses de rotation sont agencés pour mesurer seulement les deux vitesses de rotation (Q, R) de ladite cellule (la) autour des deux autres axes (Oy, Oz) dudit repère, - lesdits moyens (9a) de calcul des composantes sont agencés pour calculer les deux composantes (h , dudit

y hz) vecteur unitaire (use) sur les deux autres axes (Oy, Oz) dudit repère.

11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel il est prévu, de plus - des moyens (13, 14, 15), reliés à la sortie desdits moyens (7) de mesure des composantes (Hs, Hy, Hz) du champ magnétique ( t pour calculer des termes correctifs (c7, cz), destinés à corriger lesdits produits (Q.hy, R.hz), la loi de variation de ces termes correctifs (cy, cz), en fonction des angles (a, I) définissant la direction dudit champ magnétique, étant déterminée pour que ledit signal d'estimation de l'erreur corresponde à l'erreur mesurée expérimentalement, et - des moyens (16, 17) pour multiplier lesdits produits (Q.hy, Rhz) par lesdits coefficients correctifs, respectivement.

12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel, en appelant Ox ledit axe de symétrie, Oy et Oz les deux autres axes dudit repère, et a et I les angles d'Euler de la direction dudit champ magnétique, lesdits moyens de calcul des coefficients correctifs comprennent - des premiers moyens (13, 14) pour calculer un terne correctif 0y' destiné à corriger le produit (Q. h ) correspondant à la rotation (Q) autour de l'axe Oy, tel que

- des deuxièmes moyens (13, 15) pour calculer un terme correctif cz, destinés à corriger le produit (R. hz) correspondant à la rotation (R) autour de l'axe Oz, tel que:

avec