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RÉSUMÉ
Les techniques d'anémométrie à laser sont utilisées en laboratoire, notamment avec des modèles embarqués sur des aéronefs. L'évolution des techniques de laser liée aux télécommunications et les techniques d'intégration des composants optiques ont rendu possible une simplification et une miniaturisation extrêmement significative des équipements. Diverses applications sont envisageables, tant pour l'anémométrie de série des avions, que pour celle des hélicoptères, ou pour l'étalonnage et le calibrage lors des essais en vol. Une utilisation à plus long terme pour la mesure des hétérogénéités de vent est aussi envisagée.
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Laser anemometry techniques are used in laboratories , notably with on-board aircraft models. Due to the development of laser techniques related to telecommunications and integration techniques for optical components, considerable simplification and miniaturization of equipment have been made possible. Various applications exist for the series anemometry of aircrafts and helicopters as well as for calibration during flight testing. A longer-term use for measuring wind in homogeneities is also considered.
Auteur(s)
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Jacques MANDLE : Direction technique, centre de compétence navigation
-
Jean-Pierre SCHLOTTERBECK : Responsable produit, centre de compétence navigation
-
Alain VERBEKE : Responsable produit, centre de compétence navigation - Thales Avionics
INTRODUCTION
Depuis de nombreuses années, les techniques d'anémométrie à laser sont utilisées par des chercheurs en laboratoire et en soufflerie. Une première synthèse de ces techniques existait, objet de la précédente version de l'article [E 4 320], mais elle datait de 1994. Ce nouvel article, décrit l'évolution de l'état de la technique, en particulier sur les deux décennies qui ont suivi, en ce qui concerne l'anémométrie embarquée sur aéronef, et envisage les applications les plus probables.
Dans un premier temps, on passe en revue les principes physiques fondamentaux qui pilotent les mesures de décalage Doppler, soit dans l'infrarouge, soit dans l'ultraviolet. Les principes de détection hétérodynes et le traitement « monoparticule », traitement fondamental permettant d'envisager un fonctionnement permanent sont décrits. Un tour d'horizon des travaux dans le monde est ensuite effectué, puis les travaux au sein de la société Thales sont présentés. Du fait de l'évolution des techniques de laser liée aux télécommunications (généralisation des lasers « état solide », de longueur d'onde voisine de 1,5 μm) et aux techniques d'intégration des composants optiques, une simplification et une miniaturisation extrêmement significatives des équipements ont été rendues possibles. Diverses applications sont envisageables, tant pour l'anémométrie de série des avions, en utilisant une mécanisation complètement différente de celles des systèmes actuels, que pour celle des hélicoptères, ou pour l'étalonnage et le calibrage lors des essais en vol. Une utilisation à plus long terme pour la mesure des hétérogénéités de vent est aussi envisagée. En parallèle, l'évolution des normes aéronautiques concernant l'indépendance des constituants favorisera l'utilisation en série de systèmes mixtes sur avion de transport à moyen terme.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
optoelectronics | airborne systems
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 1998 par Jacques MANDLE
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Principes
1.1 Diffusions de Mie et de Rayleigh
Les techniques sur lesquelles sont fondés actuellement les systèmes embarqués d'anémométrie laser utilisent les particules naturellement présentes dans l'atmosphère.
La diffusion de la lumière par ces particules se fait suivant une loi qui dépend du diamètre de ces particules.
Si le diamètre des particules est faible par rapport à la longueur d'onde de la lumière émettrice, on se trouve dans le régime de la diffusion de Rayleigh encore appelée diffusion moléculaire. Si le diamètre des particules est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière émettrice, on se trouve alors dans le régime de la diffusion de Mie.
Les aérosols naturels sont de bons traceurs car leur agitation thermique est négligeable devant les précisions de mesure recherchées, quelques cm/s, ce qui n'est pas le cas pour les molécules (environ 300 m/s).
Le spectre de mesure Doppler est donc beaucoup plus étroit dans le cas de la diffusion de Mie que dans le cas de la diffusion de Rayleigh. La figure 1 illustre le signal reçu :
-
le pic (rouge) étroit spectralement et relativement puissant correspond à la réponse des aérosols, il dépend de l'ensemencement en particules ;
-
le signal plus large (bleu) est issu des molécules, sa disponibilité est meilleure mais, étant fortement étalé, il est souvent masqué par les niveaux de bruit de détection matérialisés en vert sur la figure. Les signaux Mie et Rayleigh sont tous deux décalés en fréquence par effet Doppler.
C'est pourquoi on utilise de préférence la diffusion de Mie pour les mesures embarquées sur aéronefs.
De manière très schématique, et compte tenu des dimensions caractéristiques, la diffusion de Mie est plutôt utilisée à des longueurs d'onde de l'infrarouge alors que l'on préfères l'ultraviolet pour utiliser la diffusion Rayleigh. On pourrait imaginer théoriquement d'utiliser simultanément les deux types de détection, mais au prix d'une complexification importante, qui n'est pas envisageable à court terme pour des applications de série embarquées sur avion.
HAUT DE PAGE1.2 Anémométrie...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SMART (A.) - Optical velocity sensor for air data application. - Optical engineering, vol. 31, p. 1 (1992).
-
(2) - WOODFIELD (A.A.), VAUGHAN (J.M.) - Using an airborne CO2 CW laser for stream airspeed and windshear measurements. - TM FSB 557 (1964).
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(3) - MANDLE (J.) - Apport de l'anémométrie laser à la sécurité aérienne. - L'Aéronautique et l'Astronautique, janv. 1987.
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(5) - WERNER (C.), KÖPP (F.), BISELLI (E.) - Measurements of the wind profile over sea. - Proceedings of the 3rd Topical Meeting on Coherent Laser Radar, juil. 1985.s
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(6) - DESTARAC (G.), CATTIN-VALSECCHI (F.), LOPEZ (C.), MANDLE (J.) - Apport de l'anémométrie laser aux...
Thales http://www.thalesgroup.com
ONERA http://www.onera.fr
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ARP 4754A - 12-10 - Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems, Society of Automotive Engineers (SAE) - -
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