FR2886737A1 - Procede de mesure de la vitesse de l'air par radar doppler - Google Patents

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Abstract

Procédé de mesure de la vitesse de l'air dans une zone de l'atmosphère par effet Doppler au moyen d'un radar, comprenant les étapes de :- émettre des rafales de trois impulsions à des cadences différentes F1, F2, F3,- déterminer une vitesse V1, V2, V3 de l'air à partir d'impulsions reçues en retour des impulsions de chaque rafale,- calculer la vitesse V de l'air à partir des vitesses V1, V2, V3 déterminées pour les impulsions reçues en retour de chaque rafale.

Description

La présente invention concerne un procédé de me-sure de la vitesse de
l'air dans une zone de l'atmosphère.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION En météorologie, il est connu de mesurer la vitesse de l'air au moyen d'un radar en utilisant l'effet Doppler: le radar émet des trains d'ondes ou impulsions sinusoïdales qui sont retournées vers le radar par des particules en suspension dans l'air; si l'air a un mou- vement provoquant un éloignement ou un rapprochement des particules relativement au radar, les impulsions retour-nées au radar présentent un décalage de phase par rapport aux impulsions émises, décalage qui permet de calculer la vitesse radiale des particules par rapport au radar et donc la vitesse de l'air qui les transporte. La vitesse peut ainsi être déterminée sans ambiguïté si la vitesse réelle des particules est comprise dans un intervalle dit de Nyquist dépendant de la cadence d'émission des impulsions (également appelée fréquence d'émission). Si la vi- tesse réelle des particules est en dehors de cet intervalle, la vitesse calculée est égale à la vitesse réelle modulo la largeur de l'intervalle de Nyquist. On parle alors d'un repliement, dans l'intervalle de Nyquist, de la vitesse calculée.
Pour augmenter la largeur de cet intervalle, il est connu d'augmenter la cadence d'émission des impulsions. Il en découle cependant un certain nombre d'inconvénients, et notamment une forte sollicitation de l'émetteur, une consommation importante de celui-ci et une di-minution de la portée du radar.
Il est également possible d'utiliser un radar de longueur d'onde plus importante. Un tel radar est cependant coûteux.
1l est en outre connu d'émettre des rafales d'im- pulsions selon une première et une deuxième cadence d'émission des impulsions, la substitution d'une cadence à l'autre intervenant après chaque rafale (procédé " dual pulse répétition frequency - PRF " ou double fréquence de répétition des impulsions). En combinant les vitesses calculées à partir des impulsions reçues en retour des impulsions émises lors de rafales successives, la vitesse des particules peut être déterminée sans ambiguïté dans un intervalle de Nyquist élargi. Toutefois, comme l'antenne du radar tourne sans cesse, la zone d'atmosphère vers laquelle est émise une rafale à la première cadence d'émission est légèrement différente de celle vers laquelle est émise la rafale suivante à la deuxième cadence d'émission. Il en résulte une imprécision de la détermination de vitesse d'autant plus importante que le radar est implanté dans une zone où la vitesse de l'air présente de fortes variations locales et que la vitesse de rotation du radar est élevée.
OBJET DE L'INVENTION Il serait donc intéressant de disposer d'un moyen permettant de précisément déterminer la vitesse de l'air avec un intervalle de Nyquist relativement important.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de mesure de la vitesse de l'air dans une zone de l'atmosphère par effet Doppler au moyen d'un radar, com- prenant les étapes de: - émettre des rafales de trois impulsions à des cadences différentes F1, F2, F3, - déterminer une vitesse V1, V2, V3 de l'air à partir d'impulsions reçues en retour des impulsions de chaque rafale, - calculer la vitesse V de l'air à partir des vitesses V1, V2, V3 déterminées pour les impulsions reçues en retour de chaque rafale.
Ainsi, chaque impulsion est émise à une cadence différente de celle des impulsions suivantes. L'intervalle de Nyquist est obtenu en combinant les trois cadences d'émission de sorte que l'intervalle de Nyquist est relativement large. Les impulsions aux trois cadences d'émission sont émises successivement vers une même zone de l'atmosphère, ce qui limite l'imprécision du procédé.
De préférence, le calcul de la vitesse V de l'air comprend les phases de: - calculer les vitesses de Nyquist Vn1, Vn2, Vn3 correspondant à chaque cadence F1, F2, F3 et la vitesse de Nyquist équivalente Vneq, -pour chaque valeur d'un nombre entier k variant dans l'intervalle [Vneq / 2Vn1 + 1; Vneq / 2Vn1 + calculer une vitesse Vtest = V1 + 2kVn1, 15. replier la vitesse Vtest dans les intervalles [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, V113] pour obtenir les vitesses V2' et V3', calculer les écarts V2 = V2'-V2 et OV3 = V3'-V3 et l'écart quadratique moyen E='\/((AV22 + AV32) / 2), -retenir comme vitesse V la vitesse Vtest corres- pondant au plus faible écart quadratique moyen.
Ce mode de calcul s'avère relativement fiable et simple à mettre en oeuvre informatiquement avec des ressources informatiques relativement faibles.
Avantageusement, les cadences F1, F2, F3 sont re- lativement proches.
Ceci n'entraîne qu'une sollicitation relativement faible de l'émetteur du radar et limite l'usure de celui-ci.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comprend une étape de détermination des cadences F1, F2, F3 comprenant les phases de: déterminer des couples de paramètres p/q et r/s tels que p et q ainsi que r et s soient premiers entre eux, q et s soient supérieurs à p et r respectivement, p soit supérieur à q/2 et r soit supérieur à s/2, 2886737 4 - sélectionner une fréquence F1 et calculer une vitesse de Nyquist Vn1 correspondante, - choisir une vitesse V' correspondant à la vitesse maximale de l'air dans la zone de mesure et replier la vitesse V' dans l'intervalle [-V,,1, V,1] pour obtenir la vitesse V1' , - pour chaque couple p/q et r/s: calculer des cadences F2 = p/q * F1 et F3 = r/s * F1 et les vitesses de Nyquist Vn2, Vn3, 10.calculer la vitesse de Nyquist équivalente Vneq = ppcm (p, r) * Vn1, pour chaque valeur d'un nombre entier k va-riant dansl'intervalle [Vneq / 2Vn1 + ; Vneq / 2Vn1 + * calculer une vitesse Vtest = V1' + 2kVn1, * replier la vitesse Vtest dans les intervalles [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V2' et V3', * calculer les écarts AV2 = V2'-V2 et AV3 = V31-V3 et l'écart quadratique moyen E=I ((AV22 + AV32) / 2), retenir la vitesse Vtest correspondant au plus faible écart quadratique moyen.
- comparer les vitesses Vtest obtenues pour tous les couples et la vitesse V' pour sélectionner le meilleur couple.
Ce mode de détermination est relativement simple, fiable et rapide.
Avantageusement alors, la comparaison comprend les phases de calculer pour tous les couples l'écart A' = Vtest - V' et de vérifier si A' est inférieur à la moitié de la vitesse de Nyquist Vn1.
Ce mode de comparaison allie simplicité et efficacité.
De préférence encore, le procédé comprend l'étape d'affecter aux vitesses V1', V2' et V3', avant leur utilisation dans les calculs, un bruit correspondant au bruit propre au radar et aux conditions atmosphériques habituelles dans la zone de mesure et l'étape de replier les vitesses V1' , V2' et V3' ainsi bruitées dans les intervalles [-Vn1, Vnl] , [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V1' , V2' et V3' utilisées par la suite dans les calculs.
1l est ainsi possible de déterminer des cadences d'émission qui soient optimisées pour la zone d'atmosphère où les mesures de vitesse sont effectuées.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limita- tif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un diagramme par blocs illus- trant le déroulement général du procédé de l'invention, - la figure 2 est un diagramme par blocs illustrant le déroulement de l'étape de détermination des fréquences conformément à l'invention, - la figure 3 est un schéma illustrant l'émission des impulsions dans le temps.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence aux figures, le procédé conforme à l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un radar Doppler susceptible d'émettre des rafales d'impulsions en chan- geant la cadence d'émission entre chaque impulsion.
Pour la mesure de la vitesse de l'air, le procédé de l'invention débute par l'étape 30 d'émettre des rafales de trois impulsions 1, 2, 3 à des cadences différentes F1, F2, F3 (la durée tl séparant les impulsions 1 et 2 est différente de la durée t2 séparant les impulsions 2 et 3 et la durée t3 séparant l'impulsion 3 d'une rafale de l'impulsion 1 de la rafale suivante est également différente des durées t1 et t2, voir figure 3).
Lorsqu'une impulsion rencontre des particules en suspension dans l'air, ces particules renvoient une im- pulsion vers le radar.
Le procédé se poursuit ainsi par une étape 40 de détermination de vitesses V1, V2, V3 de l'air à partir des impulsions reçues en retour des impulsions 1, 2, 3 de chaque rafale. Le calcul des vitesses V1, V2, V3 est connu en lui-même et repose sur la formule suivante: V = Fd * 1 / 2 où Fd est le décalage en fréquence de l'impulsion reçue par rapport à l'impulsion émise (également appelé fréquence Doppler).
La vitesse V de l'air est ensuite calculée à par-tir des vitesses V1, V2, V3 déterminées pour les impulsions reçues en retour de chaque rafale (étape 50).
Le calcul de la vitesse V de l'air nécessite d'avoir calculé les vitesses de Nyquist Vn1, Vn2, Vn3 correspondant à chaque cadence F1, F2, F3 et la vitesse de Nyquist équivalente Vneq (étape 20). On rappelle que la vitesse de Nyquist est égale au produit de la longueur d'onde de l'impulsion et de la cadence d'émission divisé par 4. A titre d'exemple, Vn1 = 1* F1 / 4. Le calcul de la vitesse de Nyquist équivalente Vrieq est réalisé à partir des rapport de cadences relativement à la cadence F1 et de la vitesse de Nyquist Vn1 comme cela est expliqué plus loin dans la description de l'étape de détermination des cadences.
Ensuite, on fait varier un nombre entier k dans l'intervalle [-Vneq/ 2Vn1 + 34; Vneq / 2Vn1 + 3z] et pour chaque valeur de k dans cet intervalle: une vitesse Vtest = V1 + 2kVn1 est calculée, .la vitesse Vtest est repliée dans les inter- valles [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V2' et V3', V2' = Vtest modulo (2Vn2) et V3' = Vtest modulo (2 Vn3), les écarts AV2 = V2' -V2 et AV3 = V31-V3 et l'écart quadratique moyen E=f ((AV22 + iV32) / 2) sont cal- culés.
Puis les écarts quadratiques moyens obtenus pour toutes les valeurs de k sont comparés les uns aux autres et la vitesse Vtest correspondant au plus faible écart quadratique moyen est retenue comme étant la vitesse V de l'air (étape 60).
Pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, il est nécessaire d'avoir préalablement déterminé les cadences d'émission des impulsions F1, F2, F3. L'étape 10 de détermination des cadences F1, F2, F3 est détaillé sur la figure 2 et débute par une phase 11 de détermination de couples de rapports de paramètres p/q et r/s qui serviront à définir les cadences F2, F3 en fonction de F1: F2 = p/q * F1 et F3 = r/s * F1.
De préférence, afin d'optimiser la recherche de ces couples, des contraintes sont imposées dans le choix des paramètres p, q, r, s: - p et q ainsi que r et s sont premiers entre eux, - q et s sont supérieurs à p et r respectivement, - p/q est supérieur à r/s, - p est supérieur à q/2, r est supérieur à s/2.
Les paramètres p et r sont avantageusement supérieurs à q/2 et s/2 respectivement, pour éviter que les cadences F2 et F3 soient très supérieures à la cadence F1, ce qui risquerait de provoquer une usure du magnétron du radar.
En pratique, pour restreindre le nombre de possibilités, il est possible de limiter la valeur de p à 11.
En outre, on s'est aperçu que pour une efficacité 2886737 8 maximale du procédé le paramètre q est de préférence égale à p + 1.
L'étape de détermination des cadences d'émission des impulsions se poursuit par une phase 12 au cours de laquelle interviennent la sélection d'une première cadence F1 en fonction des caractéristiques techniques du radar et le calcul d'une vitesse de NyquistVn1 correspondante. Une vitesse V' correspondant à la vitesse maximale de l'air dans la zone de mesure est repliée dans l'intervalle de Nyquist [-Vn1, Vn1] pour obtenir la vitesse VI', c'est-à-dire V1' = V' modulo (2*Vn1) . Lors de la phase 13, un bruit correspondant au bruit propre au radar et aux conditions atmosphériques habituelles dans la zone de mesure est affecté à la vitesse V1' et la vitesse V1' ainsi bruitée est repliée comme précédemment dans l'intervalle [-Vn1, V,u] pour obtenir la vitesse V1' utilisée par la suite dans les calculs. Le bruit ajouté à la vitesse V1' est un bruit de distribution gaussienne de moyenne nulle et d'écart-type paramétrable de manière que ce bruit correspondent à celui rencontré en conditions d'utilisation.
Les opérations suivantes sont ensuite réalisées pour chaque couple p/q et r/s (phase 14) . calcul des cadences F2 = p/q * F1 et F3 = r/s * F1 et les vitesses de Nyquist Vn2, Vn3 correspon- dantes.
calcul de la vitesse de Nyquist équivalente Vneq en multipliant la vitesse de Nyquist Vn1 par le plus petit commun multiple des paramètre p et r (Vneq = ppcm(p, r) * Vn1) , pour chaque valeur de k entier variant dans l'intervalle [Vneq / 2Vn1 + ; Vneq / 2vn1 + 3z] , * calculer une vitesse Vtest = V1' + 2kVn1, * replier la vitesse Vtest dans les intervalles [-Vn2, Vn2] et t [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vi- tesses V2' et V3', * comme pour la vitesse V1', affecter aux vitesses V2' et V3' un bruit correspondant au bruit propre au radar et aux conditions atmo- sphériques habituelles dans la zone de mesure et replier les vitesses V2' et V3' ainsi bruitées dans les intervalles [-V,,2, Vn2j et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V2' et V3' utilisées dans la suite des calculs, * calculer les écarts OV2 = V21-V2 et OV3 = V3'-V3 et l'écart quadratique moyen E=I((AV22 + AV32) / 2), retenir la vitesse Vtest correspondant au plus faible écart quadratique moyen.
L'étape de détermination des cadences d'émission des impulsions se termine par la comparaison 15 des vitesses Vtest obtenues pour tous les couples et la vitesse V' pour sélectionner le meilleur couple. Cette comparai-son comprend les phases de calculer pour tous les couples l'écart 0' = Vtest V', de comparer les écarts A' et de vérifier si 0' est inférieur à la moitié de la vitesse de Nyquist Vn1. Pour affiner la sélection du meilleur couple, il est en outre possible de comparer les écarts quadratiques moyens obtenus en recherchant le couple présentant l'écart A' et l'écart quadratique moyen E les plus faibles ou le couple offrant le meilleur compromis entre ces deux écarts.
A titre d'exemple, compte tenu des conditions atmosphériques de la France et plus particulièrement des turbulences de l'air dans ce pays, les paramètres suivants donnent des résultats satisfaisants: p = 6, q = 7, r = 4, s = 5 ou p = 7, q = 8, r = 2 et s = 3.
Ainsi, en choisissant une cadence F1 à 375 Hz, on obtient, avec le premier jeu de paramètres, F2 = 321 Hz et F3 = 300 Hz.
Ces paramètres sont bien entendu utilisables pour toutes les zones présentant des conditions similaires à celles rencontrées en France.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des va-riantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Le procédé de détermination des fréquences peut être réalisé pour plusieurs niveaux de bruits afin d'éva- luer la pertinence des couples retenus par rapport aux niveaux de bruits rencontrés.
Les valeurs numériques ne sont données qu'à titre indicatif et d'autres valeurs sont bien entendu utilisables.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de la vitesse de l'air dans une zone de l'atmosphère par effet Doppler au moyen d'un radar, comprenant les étapes de: - émettre des rafales de trois impulsions à des cadences différentes F1, F2, F3, déterminer une vitesse V1, V2, V3 de l'air à partir d'impulsions reçues en retour des impulsions de chaque rafale, - calculer la vitesse V de l'air à partir des vitesses V1, V2, V3 déterminées pour les impulsions reçues en retour de chaque rafale.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la vitesse V de l'air comprend les phases de: - calculer les vitesses de Nyquist Vn1, Vn2, Vn3 correspondant à chaque cadence F1, F2, F3 et la vitesse de Nyquist équivalente Vneq, - pour chaque valeur d'un nombre entier k variant dans l'intervalle [-Vrieq / 2Vn1 + 3; Vneq / 2Vn1 + ] calculer une vitesse Vtest = V1 + 2kVn1r replier la vitesse Vtest dans les interval- les [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V2' et V3', calculer les écarts AV2 = V2' -V2 et AV3 = V3'-V3 et l'écart quadratique moyen E_I ((AV22 + AV32) / 2), - retenir comme vitesse V la vitesse Vtest corres- pondant au plus faible écart quadratique moyen.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cadences F1, F2, F3 sont relativement proches.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les cadences F2 et F3 valent respectivement 6/7 * F1 et 4/5 * F1.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les cadences F2 et F3 valent respectivement 7/8 * F1 et 2/3 * F1.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination des cadences F1, F2, F3 comprenant les phases de: déterminer des couples p/q et r/s tels que p et q ainsi que r et s soient premiers entre eux, q et s soient supérieurs à p et r respectivement, p soit supé- rieur à q/2 et r soit supérieur à s/2, - sélectionner une cadence F1 et calculer une vitesse de Nyquist Vn1 correspondante, choisir une vitesse V' correspondant à la vi- tesse maximale de l'air dans la zone de mesure et replier la vitesse V' dans l'intervalle [-Vn1, Vn]] pour obtenir la vitesse V1' , - pour chaque couple p/q et r/s calculer des cadences F2 = p/q * F1 et F3 = r/s * F1 et les vitesses de Nyquist Vn2, Vn3, calculer la vitesse de Nyquist équivalente Vneq = ppcm(p, r) * Vn1, pour chaque valeur d'un nombre entier k va-riant dans l'intervalle [-Vneq / 2V,,1 + ; Vneq / 2V 1 + z], * calculer une vitesse Vtest = Vl' + 2kVn1, * replier la vitesse Vtest dans les intervalles [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V2' et V3', * calculer les écarts AV2 = V2'-V2 et AV3 = V3'-V3 et l'écart quadratique moyen E=I ( (AV22 + AV32) / 2), retenir la vitesse Vtest correspondant au plus faible écart quadratique moyen.
- comparer les vitesses Vtest obtenues pour tous 30 35 les couples et la vitesse V' pour sélectionner le meilleur couple.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la comparaison comprend les phases de calculer pour tous les couples l'écart A' = Vtest V' et de vérifier si A' est inférieur à la moitié de la vitesse de Nyquist Vn1
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la comparaison comprend une phase de comparai- son des écarts quadratiques moyens obtenus pour tous les couples.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend la phase d'affecter aux vitesses V1' , V2' et V3', avant leur utilisation dans les calculs, un bruit correspondant au bruit propre au radar et aux conditions atmosphériques habituelles dans la zone de me-sure et l'étape de replier les vitesses V1' , V2' et V3' ainsi bruitées dans les intervalles [-Vn1, Vn1], [-Vn2, Vn2] et [-Vn3, Vn3] pour obtenir les vitesses V1' , V2' et V3' utilisées par la suite dans les calculs.
10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le paramètre q est égal à p + 1.
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