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Observatoire magnétique autonome et auto-calibré
Domaine technique
[0001] Selon un premier aspect, l'invention se rapporte aux
observatoires
magnétiques (du champ magnétique terrestre local) et plus particulièrement aux
observatoires magnétiques autonomes.
[0002] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode
d'obtention automatique et auto-calibrée du vecteur champ magnétique
(terrestre) local.
Etat de la technique
[0003] Il existe un certain nombre d'observatoires magnétiques (du
champ magnétique terrestre local) dits autonomes. Dans la pratique, ces
observatoires sont plutôt partiellement autonomes. Par exemple, l'article On
the calibration of a vectorial 4He pumped magnetometer de O. Gravrand, A.
Khokhlov, J.L. Le Mouel, et J.M. Leger paru dans Earth Planets Space, 53,
949-958, 2001 divulgue un magnétomètre vectoriel à pompage optique dans
de la vapeur d'hélium et une méthode de calibration pour ce magnétomètre. Ce
magnétomètre permet de fournir une mesure absolue de l'intensité du champ
magnétique local ainsi que les variations de trois composantes orthogonales du
champ magnétique local mesurées simultanément et au même endroit. Cet
observatoire fournit également un contrôle d'attitude vertical. La méthode de
traitement des données du magnétomètre permet d'obtenir, à partir des trois
variations des composantes et de la valeur absolue du module du vecteur
champ magnétique local, une calibration de facteurs d'échelle permettant
d'obtenir les variations des trois composantes du vecteur champ magnétique
local en unités S.I.
[0004] Néanmoins, cet observatoire ne fournit pas de mesure
automatique de la direction du champ magnétique local. Il ne fournit pas non
plus la verticale du lieu, ni la direction du Nord géographique. Les dérives
dues
aux variations de température ne sont pas corrigées. Enfin, la méthode ne
permet pas de réaliser une correction des défauts d'orthogonalité apparaissant
au cours du temps.
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[0005] Un second observatoire magnétique partiellement autonome est
divulgué dans GAUSS: Geomagnetic Automated System de H.U. AUSTER,
M. MANDEA, A. HEMSHORN, M. KORTE et E. PULZ dans PUBLS. INST.
GEOPHYS. POL. ACAD. SC., C-99 (398), 2007. Cette publication divulgue un
appareil de mesure automatique de l'orientation du vecteur champ magnétique
local. Cet observatoire autonome assure également un autocontrôle d'attitude
horizontal et vertical en détectant la verticale locale.
[0006] Néanmoins, cet observatoire ne fournit pas automatiquement la
valeur du module du vecteur champ magnétique local, ni les variations du
vecteur champ magnétique local selon trois directions, ni la direction du Nord
géographique. Aucune méthode d'auto-calibration pour corriger les effets de
température, pour mesurer le facteur d'échelle et pour réaliser la calibration
orthogonale n'est proposée.
[0007] En conclusion, bien que ces observatoires magnétiques soient
souvent appelés observatoires autonomes, ils sont en réalité partiellement
autonomes et nécessitent une intervention extérieure pour obtenir le vecteur
champ magnétique local.
Résumé de l'invention
[0008] Selon un premier aspect, un des buts de la présente invention est
de fournir un dispositif pour la mesure autonome et auto-calibrée du vecteur
champ magnétique local, le champ magnétique local devant être compris dans
le sens champ magnétique local de la Terre.
[0009] Dans ce but, l'observatoire magnétique pour la mesure du
vecteur
champ magnétique local comprend : un magnétomètre scalaire pour la mesure
absolue du module du vecteur champ magnétique local, un variomètre
magnétique enregistrant des variations de trois composantes
mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local, une
horloge, un magnétomètre angulaire et un contrôleur. Le magnétomètre
angulaire comprend un premier support orientable selon un premier axe de
rotation dit axe principal permettant d'obtenir une orientation horizontale du
premier support orientable, le dit premier support orientable comprenant : une
motorisation principale pour modifier l'orientation horizontale du premier
support
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orientable autour de l'axe principal, un capteur d'inclinaison, un second
support
orientable selon un deuxième axe de rotation dit axe secondaire, orthogonal à
l'axe principal, permettant d'obtenir une orientation verticale du second
support
orientable le dit second support orientable comprenant : une motorisation
secondaire pour modifier l'orientation verticale du second support orientable
autour de l'axe secondaire, un capteur magnétique pour mesurer la direction du
vecteur champ magnétique local, un dispositif de recherche de Nord. Le
magnétomètre angulaire comprend en outre, un moyen de commande des
motorisation principale et secondaire et un dispositif de mesure et
d'acquisition
angulaire des orientations horizontale et verticale des premier et second
supports orientables.
Le second support orientable peut comprendre le capteur d'inclinaison. Le
capteur d'inclinaison peut être monté sur le premier support orientable ou sur
le
second support orientable.
[0010] L'observatoire magnétique est rendu autonome et capable d'auto-
calibrer les mesures du champ magnétique local grâce au contrôleur qui est
configuré pour commander automatiquement la motorisation principale et la
motorisation secondaire, gérer l'orientation : du capteur d'inclinaison pour
la
mesure de la direction de la verticale, du dispositif de recherche de Nord
pour la
mesure de la direction du Nord géographique et du capteur magnétique pour
mesurer la direction du vecteur champ magnétique local. Il est également
configuré pour acquérir : les angles de la direction du vecteur champ
magnétique local par rapport au Nord géographique et à la Verticale en
fonction
des orientations horizontale et verticale des premier et second supports
orientables mesurées avec le dispositif de mesure et d'acquisition angulaire,
les
trois variations du vecteur champ magnétique local mesurées par le variomètre
et les valeurs du module du vecteur champ magnétique local mesurées par le
magnétomètre scalaire. Enfin, il est configuré pour traiter les données
acquises
précédemment pour obtenir automatiquement le vecteur champ magnétique
local et les erreurs des mesures associées à chaque instrument.
Les observatoires magnétiques traditionnels sont souvent installés dans des
bâtiments comprenant des pièces dont la température est contrôlée pour éviter
de trop grandes déviations des instruments. De plus, certaines mesures sont
réalisées manuellement par un opérateur hautement qualifié. Ces observatoires
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ne peuvent donc être installés n'importe où. Un observatoire autonome a
l'avantage de pouvoir être installé là où on le souhaite et surtout, ne
nécessite
pas la présence d'un opérateur qualifié. Le coût d'un tel observatoire est
donc
nettement plus faible et il peut être utilisé plus facilement. Les mesures
peuvent
aussi être réalisées avec une fréquence plus élevée et de manière plus fiable.
Par rapport aux précédents observatoires autonomes , l'avantage réside
dans la présence d'un ensemble d'instruments qui, combinés entre eux,
permettent l'auto-calibrage et donc d'obtenir une précision nettement
meilleure
que leur simple juxtaposition.
[0011] De préférence, les premier et second supports orientables, les
motorisation principale et secondaire, le dispositif de recherche de Nord, le
capteur d'inclinaison, le moyen de commande des motorisation principale et
secondaire et le dispositif de mesure et d'acquisition angulaire sont
constitués
de composants non magnétiques, définis tels que la susceptibilité magnétique
.. des matériaux est comprise entre -1 et 1, de préférence entre -10-1 et 10-
1, de
manière encore plus préférée entre -10-3 et 10.
[0012] Par exemple, les composants non magnétiques sont des
matériaux choisis parmi : céramique, aluminium, arcap, titane, cuivre,
ertalon,
nylon, ertacetal, peek.
Le choix de ces matériaux est crucial pour garantir une bonne mesure du
champ magnétique local, non perturbée par les instruments eux-mêmes.
[0013] De préférence, le magnétomètre scalaire est de type : à
proton, à
effet Overhauser, atomique, à pompage optique.
[0014] De préférence, le capteur magnétique est un capteur de type :
fluxgate, fluxset, circuit électrique en rotation ou un magnétomètre scalaire
polarisé par un dispositif magnétique.
[0015] De préférence, le dispositif de recherche de Nord est de type
:
GNSS, GPS, visée d'une mire, visée d'un astre, gyroscope, détecteur de
rotation absolue, polarisation de la lumière solaire.
[0016] De préférence, l'observatoire comprend une pluralité de piliers non
magnétiques, de préférence en béton, dont les dimensions [épaisseur, largeur,
longueur] moyennes sont comprises entre [1, 10, 10] cm et [6, 10, 10] m, de
préférence, les dimensions [largeur, longueur, profondeur] moyennes sont
comprises entre [10, 20, 20] cm et [1, 2, 2] m, de manière encore plus
préférée
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entre [15, 25, 25] cm et [0.25, 0.5, 0.5] m, lesdits piliers étant séparés par
une
distance moyenne comprise entre 0 et 10m, de préférence comprise entre 1 et
6 m, de manière encore plus préférée entre 2 et 4 m. Les piliers non
magnétiques supportent au moins un des éléments suivants : le magnétomètre
5 scalaire, le magnétomètre angulaire, le variomètre, l'horloge (201), le
contrôleur.
Bien que l'observatoire soit auto-calibré et puisse être installé n'importe où
sur
la croûte terrestre, il est préférable de l'installer sur une structure stable
qui
n'est pas soumise aux vibrations afin d'obtenir des mesures de meilleure
qualité.
De préférence, l'observatoire comprend au moins un abri non magnétique
entourant la pluralité de piliers et comprenant une paroi isolée dont
l'épaisseur
moyenne est comprise entre 1 et 60 cm, de préférence entre 2 et 30 cm, de
manière encore plus préférée entre Set 10 cm. Au moins un abri magnétique
protège au moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire (MS), le
magnétomètre angulaire (MA), le variomètre (MV), l'horloge (201), le
contrôleur
(202).
De même que la structure stable est importante, limiter les variations de
température améliore la qualité des mesures et diminue la dérive des
instruments.
[0017] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode
d'obtention automatique du vecteur champ magnétique local. Cette méthode
comprend l'étape de mise à disposition d'un observatoire magnétique tel que
décrit ci-dessus. Ensuite, le contrôleur réalise les étapes d'acquérir des
valeurs,
de commander les motorisations, de calculer des valeurs, de calibrer des
mesures et enfin de calculer la valeur du vecteur champ magnétique local.
D'abord, le contrôleur acquiert des mesures du module dudit vecteur champ
magnétique local mesurées avec le magnétomètre scalaire à des instants
différents ti, et il acquiert des mesures des trois composantes
mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local dU, dV,
dW, mesurées avec le variomètre aux instants différents ti. Ensuite, le
contrôleur commande la motorisation principale pour modifier l'orientation
horizontale du premier support orientable et, en fonction des indications du
capteur d'inclinaison, mesure la direction verticale, V, il commande également
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la motorisation secondaire pour modifier l'orientation verticale du second
support orientable et, en fonction des indications du dispositif de recherche
de
Nord, mesure la direction du Nord géographique N, et il commande les
motorisation principale et secondaire pour modifier les orientations
horizontale
et verticale du magnétomètre angulaire et, en fonction des indications du
capteur magnétique obtenues aux instants différents ti, mesure deux angles, D*
et 1*, correspondant à la direction du vecteur champ magnétique local.
Troisièmement, le contrôleur calcule les valeurs absolues des deux angles à
partir des directions obtenues précédemment tel que : D = D*-N et 1 = 1*-V, il
calcule également des lignes de base du variomètre à un instant t, moyenne
des instants différents ti, en utilisant le module absolu du vecteur
magnétique
local et les angles, tous trois obtenus comme décrit ci-dessus. Quatrièmement,
le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante
mathématiquement indépendante du variomètre et il calibre l'orthogonalité et
l'orientation dans l'espace des trois composantes mathématiquement
indépendantes du variomètre et calcule des matrices de rotations Eulériennes.
Enfin, le contrôleur calcule la valeur du vecteur champ magnétique local en
obtenant des mesures orientées en appliquant des rotations Eulériennes aux
trois mesures du variomètre : dU, dV, et dW, en obtenant des mesures à
l'échelle en multipliant les trois mesures orientées du variomètre par les
facteurs d'échelles respectifs et en obtenant 3 composantes du vecteur champ
magnétique local en additionnant les lignes de base aux trois mesures
orientées et à l'échelle.
La méthode décrite ci-dessus permet d'obtenir une mesure du champ
magnétique local automatiquement et de manière auto-calibrée.
L'automatisation permet de ne plus devoir recourir à un opérateur qualifié, ce
qui réduit fortement les coûts et améliore la précision des mesures. L'auto-
calibration permet d'améliorer la qualité des mesures. Cette auto-calibration
participe également à la réduction des coûts car elle autorise l'installation
de
l'observatoire autonome dans une structure peu coûteuse en comparaison des
observatoires traditionnels. La combinaison de l'automatisation et de l'auto-
calibration apporte donc une plus-value importante aux instruments pris
séparément.
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[0018] De préférence, la mesure des deux angles, D* et 1*,
caractérisant
la direction du champ dans le plan horizontal et vertical respectivement est
obtenue par le contrôleur en modifiant l'orientation horizontale du premier
support orientable (rotation du support dans le plan horizontal) jusqu'à ce
que le
capteur magnétique indique un zéro, acquérir le premier angle D* et en
modifiant l'orientation verticale du second support orientable (rotation du
support dans le plan vertical) jusqu'à ce que le capteur magnétique indique un
zéro, acquérir le second angle 1*.
[0019] De manière encore plus préférée, la mesure des deux angles, D*
et 1*, est obtenue par le contrôleur en modifiant l'orientation horizontale du
premier support orientable pour que le capteur magnétique indique une valeur
de mesure nulle et acquérir l'orientation D1 du premier support orientable
correspondant à cette mesure, puis en modifiant l'orientation horizontale du
premier support orientable de 1800 et en ajustant l'orientation horizontale
pour
.. que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir
l'orientation D2 du premier support orientable correspondant à cette mesure,
puis en modifiant l'orientation verticale du second support orientable de 180
et
en ajustant l'orientation horizontale du premier support orientable pour que
le
capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir
l'orientation
D3 du premier support orientable correspondant à cette mesure, en modifiant
l'orientation horizontale du premier support orientable de 180 et en ajustant
l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique indique une valeur de
mesure nulle et acquérir l'orientation D4 du premier support orientable
correspondant à cette mesure et, enfin en calculant le premier angle
correspondant à la direction horizontale du champ magnétique local selon la
moyenne des quatre mesures : D*=(D1+D2-FD3-FD4)/4.
De manière similaire, la mesure de 1* est obtenue en modifiant l'orientation
horizontale du premier support orientable dans la direction D*-90, puis en
effectuant les mêmes trois premières étapes que pour D* dans lesquelles les
orientations horizontale et verticale sont inversées et dans lesquelles les
rôles
des premier et second supports orientables sont inversés, et ainsi acquérir
les
orientations 11, 12, 13.14 en modifiant l'orientation horizontale du premier
support
orientable dans la direction D*-90 et en ajustant l'orientation verticale du
second support orientable pour que le capteur magnétique indique une valeur
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de mesure nulle, l'orientation 14 du second support orientable correspondant à
cette mesure. Enfin, le second angle correspondant à la direction du champ
magnétique local dans le plan vertical est calculé selon la moyenne des quatre
mesures : I* = (11+12+13+14) / 4.
[0020] De préférence, le dispositif de recherche de Nord est un chercheur
de type détecteur de rotation absolue et le contrôleur commande la
motorisation
secondaire pour modifier l'orientation verticale du second support orientable
et,
en fonction des indications du dispositif de recherche de Nord, mesure la
direction du Nord géographique N en modifiant l'orientation horizontale du
premier support orientable jusqu'à ce que le détecteur de rotation absolue
indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N du premier
support orientable correspondant à cette mesure.
[0021] De manière encore plus préférée, la mesure de la direction du
Nord géographique N est obtenue de manière similaire à D*, le capteur
magnétique étant remplacé par le détecteur de rotation absolue et les
orientation D1, D2, D3, D4 et D* étant remplacées par Ni, N2, N3, N4 et N
dans la méthode décrite ci-dessus.
Ces méthodes de mesure ont l'avantage d'annuler toutes les erreurs
d'alignement interne de l'instrument et améliorent donc la qualité des
mesures.
[0022] De préférence, le contrôleur calcule les lignes de base du
variomètre sur base des trois mesures du variomètre : dU, dV, et dW, du
module absolu du vecteur champ magnétique local F, des deux angles
caractérisant la direction du vecteur champ magnétique local (P) :
l'inclinaison 1
et la déclinaison D, et, optionnellement de fonctions gU, gV, gW, permettant
de
réaliser un changement de coordonnées D, F, 1 à des coordonnées U, V, W. Le
contrôleur calcule les lignes de base UO, VO, WO, selon :
Uo = gu(F,D,I) ¨ dU
Vo = gv(F,D,I) ¨ dV
Wo = gw(F,D,I) ¨ dW.
[0023] De préférence, le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de
chaque composante du variomètre en mesurant les amplitudes des variations
des lignes de base par rapport aux amplitudes des signaux de chacune des
trois composantes du vecteur champ magnétique local (P) pendant un laps de
temps préétabli, puis en multipliant trois mesures du variomètre (MV) : dU,
dV,
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et dW par des facteurs correctifs, les facteurs d'échelle, fu, fv, fw, puis en
soustrayant les valeurs corrigées et calcule des lignes de base selon :
Uo = gu(F,D,I) ¨ fu*dU
Vo = gv(F,D, I) ¨ fv*dV
Wo = gw(F,D, I) ¨ fw*dW
Ensuite, le contrôleur augmente ou diminue les facteurs d'échelle respectifs
pour réduire les variations des lignes de base respectives et il corrige les
mesures du variomètre par multiplication par les facteurs d'échelles
respectifs.
Ces étapes peuvent être répétées de manière itérative jusqu'à ce que
l'augmentation ou diminution des facteurs d'échelle soit inférieure à une
valeur
prédéterminée.
[0024] De préférence, le contrôleur calibre l'orthogonalité et
l'orientation
dans l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du
variomètre et calcule des matrices de rotations Eulériennes E en examinant la
variation de la ligne de base d'une composante en fonction de l'amplitude du
signal des autres composantes pendant un laps de temps prédéterminé, en
calculant des matrices de rotations Eulériennes E et en ajustant les
orientations
jusqu'à ce que la variation de la ligne de base soit inférieure à une valeur
prédéterminée.
[0025] De préférence, le magnétomètre scalaire et le variomètre réalisent
des mesures avec une fréquence comprise entre 0,01 Hz et 100 Hz, de
préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus préférée, entre
0.1 Hz et 1 Hz.
[0026] De préférence, les mesures des orientations du vecteur champ
magnétique local sont réalisées avec une fréquence comprise entre 10-7 Hz et
10-2 Hz, de préférence entre 10-6 Hz et 10-3 Hz, de manière encore plus
préférée, entre 10-5 Hz et 10-4 Hz.
[0027] De préférence, l'observatoire autonome implémente une méthode
telle que décrite ci-dessus.
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Brève description des dessins
[0028]
Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront
clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers
de
l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :
5 - la
Figure 1 montre un vecteur champ magnétique local et sa
décomposition en différentes composantes mathématiquement
indépendantes. ;
- la Figure 2 montre un exemple d'observatoire magnétique autonome
selon l'invention ;
10 - la
Figure 3 montre un exemple de réalisation d'un magnétomètre
angulaire selon l'invention ;
- la Figure 4 montre un exemple de dispositif de recherche de Nord basé
sur un principe de visée mire ;
- la Figure 5 montre un exemple de dispositif de recherche de Nord basé
sur un principe de détecteur de rotation absolue ;
- la Figure 6 montre un exemple d'orientation de l'axe sensible d'un
capteur magnétique par rapport au champ magnétique local ;
- la Figure 7 montre un second exemple d'observatoire magnétique
autonome selon l'invention ;
- la Figure 8 montre un diagramme d'un exemple de méthode d'obtention
du vecteur champ magnétique local selon l'invention ;
- la Figure 9a montre un défaut de nivellement suivant un axe est-ouest
correspondant à une rotation autour d'un axe X;
- la Figure 9b montre un exemple de mesure de ligne de base d'une
composante Z du champ présentant un défaut de nivellement dans la
direction est ouest.
- La Figure 10 montre un exemple d'algorithme permettant la
détermination des défauts de facteur d'échelle et d'orientation du
variomètre.
Les dessins des figures ne sont pas à l'échelle. Généralement, des éléments
semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures. La
présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée
comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les
revendications.
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Description détaillée de certains modes de réalisation de l'invention
[0029] La Figure 1 montre un exemple de vecteur champ magnétique
terrestre local, ci-après vecteur champ magnétique local P et sa décomposition
en différentes composantes mathématiquement indépendantes. Le champ
magnétique local P étant un champ vectoriel, la connaissance de son intensité
n'est pas suffisante pour le caractériser complètement. Il faut, en effet, lui
définir
une orientation par rapport à des directions de référence. Ces directions de
référence sont de préférence la verticale locale (ou, de manière équivalente,
un
plan horizontal) et la direction du Nord géographique N. La déclinaison
magnétique D est alors définie comme étant l'angle entre le Nord
géographique N et la projection du vecteur magnétique dans un plan horizontal.
L'inclinaison magnétique I est définie comme étant l'angle entre le plan
horizontal et le vecteur magnétique dans un plan vertical contenant ce
vecteur.
[0030] En coordonnées cartésiennes, XYZ, X pointe vers le Nord
géographique N, Y vers l'est géographique E, et Z vertical, vers le bas. En
coordonnées cylindriques, HDZ, on a H, la composante horizontale, D la
déclinaison magnétique et Z la composante verticale (notée positive vers le
bas). En coordonnées sphériques, FDI, on a F, le module du vecteur champ
magnétique local (intensité du vecteur), D, la déclinaison magnétique et I
l'inclinaison magnétique. Quel que soit le système de coordonnées choisi,
trois
composantes mathématiquement indépendantes doivent être déterminées pour
caractériser complètement le vecteur champ magnétique local P. Notons enfin
que nous avons les relations suivantes entre les différentes valeurs : H =
F cos I, Z = F sin /, X = H cos D, Y = H sin D.
[0031] La Figure 2 montre un exemple d'observatoire magnétique
autonome 200 selon l'invention. De préférence, cet observatoire 200
comprend : un magnétomètre scalaire MS, un magnétomètre angulaire MA, un
variomètre MV, une horloge 201, et un contrôleur, 202.
[0032] De préférence, le magnétomètre scalaire MS, sert à mesurer
l'intensité du champ magnétique, ou autrement dit à mesurer le module du
vecteur champ magnétique local F. Le magnétomètre scalaire peut être qualifié
d'instrument absolu dans le sens où il mesure une quantité non relative à une
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autre. Le terme scalaire désigne une propriété qui reste inchangée lors d'un
changement de système de références. Le magnétomètre scalaire MS est, par
exemple, un magnétomètre de type : à proton, à effet Overhauser, atomique, à
pompage optique. De préférence, les mesures du module du vecteur champ
magnétique local F sont réalisées avec une fréquence comprise entre 0.01 Hz
et 100 Hz, de préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus
préférée, entre 0.1 Hz et 1 Hz. De préférence, la précision des mesures est
telle
que l'erreur de mesure est inférieure à 1 nT, de manière encore plus préférée
inférieure à 0.5 nT, idéalement inférieure à 0.2 nT.
[0033] Le champ magnétique local P variant dans le temps, une horloge
201 permettant de définir une référence de temps est utilisée pour la
synchronisation des mesures des différents instruments. Cette horloge est, par
exemple, un serveur internet de temps, une horloge atomique ou un signal
GNSS. La synchronisation des mesures doit être d'autant meilleure que la
variation temporelle du champ est élevée.
[0034] La Figure 3 montre un exemple de réalisation d'un magnétomètre
angulaire MA selon l'invention. Le magnétomètre angulaire permet de
déterminer la direction du vecteur champ magnétique local i.
[0035] Dans l'exemple de la Figure 3, le magnétomètre angulaire MA
comprend :
= un premier support orientable 320 selon un premier axe de rotation, dit
axe principal 321 ;
= un second support orientable 310 selon un second axe de rotation dit axe
secondaire 311, essentiellement orthogonal à l'axe principal ;
= un capteur d'inclinaison 313;
= un dispositif de recherche de Nord 324;
= un capteur magnétique 323 pour mesurer la direction du vecteur champ
magnétique local i.
De préférence, le premier support comprend : une motorisation principale 322
pour modifier l'orientation du premier support orientable 320 autour de l'axe
principal, le capteur d'inclinaison 313, le second support orientable 310. Les
deux axes de rotation 321 et 311, permettent un déplacement dans deux plans
(horizontal et vertical) essentiellement orthogonaux. Ces déplacements
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permettent d'obtenir une orientation horizontale du premier support orientable
et
une orientation verticale du second support orientable. De préférence, le
second support orientable 310 comprend une motorisation secondaire 312 pour
modifier l'orientation du second support orientable autour de l'axe secondaire
311, un capteur magnétique 323 pour mesurer la direction du vecteur champ
magnétique local P et un dispositif de recherche de Nord 324. De préférence,
le
magnétomètre angulaire MA comprend également un moyen de commande
340 des motorisations principale 322 et secondaire 312 et un dispositif de
mesure et d'acquisition angulaire 350 des orientations horizontale et
verticale
des premier et second supports orientables 320, 310. De préférence, le
magnétomètre angulaire possède deux degrés de libertés en rotation, et est
apte à orienter le capteur magnétique 323 dans une direction arbitraire. En
particulier, il est capable d'orienter le capteur magnétique en fonction du
champ
magnétique.
[0036] De préférence, les motorisations principale 322 et secondaire 312
ont une empreinte magnétique négligeable de sorte qu'ils ne perturbent pas la
mesure du champ magnétique. Par exemple, ces motorisations sont des
moteurs piézoélectriques.
[0037] Le dispositif de mesure angulaire et d'acquisition angulaire
350
permet de mesurer un angle de rotation des premier et second supports
orientables 320 et 310 respectivement autour de chacun des axes principal 321
et secondaire 311. Ce dispositif est, par exemple, un encodeur optique. Ce
dispositif peut être utilisé comme signal de retour pour un déplacement
angulaire asservi.
[0038] De préférence, la position de l'axe primaire 321 peut être ajustée à
l'aide de vis calantes . D'autres solutions sont possibles comme un joint
de
cardan, une rotule ou un système suspendu de type pendule.
[0039] Le capteur d'inclinaison 313 mesure l'orientation de l'axe
primaire
321 par rapport à la verticale. Le capteur d'inclinaison permet d'obtenir une
première direction de référence. Ce capteur est, par exemple, un niveau
électrolytique ou un accéléromètre mesurant la pesanteur. De préférence, le
capteur d'inclinaison est solidaire du référentiel tournant avec l'axe
secondaire
311 de sorte qu'il est solidaire du dispositif de recherche de Nord 324 et du
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capteur magnétique 323. Le capteur d'inclinaison peut aussi être placé dans un
référentiel solidaire de l'axe principal 321.
[0040] Dans une version améliorée du dispositif, le magnétomètre
angulaire MA comprend, en outre, un capteur d'inclinaison auxiliaire 314
pouvant être installé sur la partie fixe de l'instrument. De préférence, le
capteur
d'inclinaison auxiliaire comporte deux degrés de liberté.
[0041] Le magnétomètre angulaire MA comprend un dispositif de
recherche de Nord 324. Ce dispositif de recherche de Nord permet de
déterminer la direction du Nord géographique N et ainsi de déterminer une
seconde direction de référence. De préférence le dispositif de recherche de
Nord bénéficie de deux degrés de liberté, c'est-à-dire qu'il peut effectuer
des
rotations selon les axes principal 321 et secondaire 311.
[0042] Le dispositif de recherche de Nord 324 est, par exemple, un
système de visée mire tel que montré à la Figure 4. Un tel dispositif pointe
une
direction, Target, dont l'angle, Az, par rapport au Nord géographique N, est
préalablement connu. On en déduit ainsi la direction du Nord géographique N.
Un tel dispositif peut être un laser pointant un rétro-réflecteur. Le faisceau
de
retour est alors capté par un dispositif tel qu'une photocellule ou une PSD
(Position Sensitive Detector). D'autres solutions sont également possibles
comme une caméra CCD. Des balises GPS ou GNSS peuvent aussi servir de
mire. La Figure 4, illustre également la direction du nord magnétique Nmag, et
l'angle de déclinaison D.
[0043] Alternativement, le dispositif de recherche de Nord 324 peut
être
un dispositif de visée du soleil (sunshot) : il est possible de dériver la
direction
du Nord géographique N en pointant le soleil à un instant donné (et ce même si
le soleil est caché par les nuages, par exemple grâce à des filtres
polarisants).
Des méthodes connues nécessitent la connaissance du temps sidéral, de la
déclinaison et de l'ascension droite du soleil. Ces données sont disponibles
dans les tables astronomiques ou dérivées de modèles. D'autres dispositifs
peuvent également être utilisés comme un dispositif de visée astronomique : le
principe précédent peut être appliqué à n'importe quel autre astre visible.
Une
caméra d'étoile : dans un repère fixe par rapport à l'observatoire, les
étoiles
n'apparaissent pas fixes dans le ciel. Une image d'elles à un instant donné
permet alors de déduire la direction du Nord géographique N.
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Avantageusement, le dispositif de recherche de Nord 324 est un détecteur de
rotation absolue tel que montré à la Figure 5. Ce type de capteur est capable
de
détecter la rotation de la Terre SI,. Ce détecteur mesure la projection de la
composante horizontale 510 du vecteur rotation terrestre le long de son axe
5 sensible 520. La Figure 5 montre un exemple de projection pour une
latitude 0,
et un angle d'orientation de l'axe sensible g) mesuré par rapport au Nord
géographique N (non représenté). Ces deux directions se trouvent dans un
même plan horizontal. En déplaçant cet axe sensible dans un plan horizontal,
sa sortie décrit une sinusoïde dont les maximums se trouvent en direction nord-
10 sud et les zéros en direction est-ouest.
[0044] Ces capteurs ou gyroscopes peuvent être notamment de type
mécanique, à fibre optique (FOG), laser (RLG), à résonnance hémisphérique
(HRG), MEMS ou atomique.
[0045] Le capteur magnétique 323 est un capteur de champ magnétique
15 directionnel dont l'axe sensible peut être orienté par l'axe principal
321 de
rotation et l'axe secondaire 311 de rotation du magnétomètre angulaire MA. Ce
capteur magnétique peut être, par exemple, de type fluxgate, fluxset, circuit
électrique en rotation ou un magnétomètre scalaire polarisé par un dispositif
magnétique. La sortie T de ce capteur magnétique 323 est proportionnelle au
produit scalaire du champ magnétique local P par un vecteur unitaire parallèle
fi
à son axe sensible (voir Figure 6) : T = gii = P), où k est un facteur de
proportionnalité ou facteur d'échelle du capteur magnétique.
[0046] Le capteur magnétique 323 peut être capable de mesurer
l'intensité du champ magnétique (mesure scalaire). Le magnétomètre scalaire
MS peut donc être compris dans le magnétomètre angulaire MA. Un tel capteur
peut être une sonde mono ou triaxiale fluxgate plein champ, une sonde
triaxiale
fluxset, ou un magnétomètre scalaire. La mesure scalaire peut aussi être
réalisée par un capteur magnétique auxiliaire inclus dans l'instrument. De
préférence, les mesures de l'orientation du vecteur champ magnétique local
sont réalisées avec une fréquence comprise entre 10-7 Hz et 10-2 Hz, de
préférence entre 10-6 Hz et 10-3 Hz, de manière encore plus préférée, entre 10-
5 Hz et 10-4 Hz. De préférence, la précision des mesures angulaires dans le
plan horizontal est telle que l'erreur de mesure est inférieure à 20 secondes
d'arc, de manière encore plus préférée inférieure à 10 secondes d'arc,
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idéalement inférieure à 6 secondes d'arc. De préférence, la précision des
mesures angulaires dans le plan vertical est telle que l'erreur de mesure est
inférieure à 10 secondes d'arc, de de manière encore plus préférée inférieure
à
secondes d'arc, idéalement inférieure à 1 secondes d'arc.
5 [0047]
Le variomètre MV, aussi appelé magnétomètre vectoriel, mesure
les variations de trois composantes mathématiquement indépendantes du
champ magnétique local P à intervalle régulier. De préférence, ces mesures de
trois composantes mathématiquement indépendantes du champ magnétique
local P sont réalisées avec une fréquence comprise entre 0.01 Hz et 100 Hz, de
préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus préférée, entre
0.1 Hz et 1 Hz. De préférence, la précision des mesures est telle que l'erreur
de
mesure est inférieure à 2 nT, et de manière encore plus préférée inférieure à
1 nT, idéalement inférieure à 0.5 nT. Ces mesures sont plus précises que les
mesures absolues réalisées par les magnétomètres scalaire et angulaire mais
elles doivent être calibrées par rapport à une référence. Le variomètre MV et
le
magnétomètre scalaire MS peuvent être réunis dans un même instrument.
[0048]
L'observatoire autonome comprend également un contrôleur 202.
Ce contrôleur est configuré pour :
a) commander automatiquement la motorisation principale 322 et
secondaire 312 ;
b) gérer l'orientation du :
1) capteur d'inclinaison 313 pour la mesure de la direction de la
verticale V;
2) dispositif de recherche de Nord 324 pour la mesure de la direction du
Nord géographique N;
3) capteur magnétique 323 pour la mesure de la direction du vecteur
champ magnétique local P ;
c) acquérir :
1) les angles de la direction du vecteur champ magnétique local P par
rapport au Nord géographique N et à la verticale V en fonction des
orientations horizontale et verticale des premier et second supports
orientables ;
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2) les trois variations du vecteur champ magnétique local P mesurées
par le variomètre MV;
3) les valeurs du module du vecteur champ magnétique local F
mesurées par le magnétomètre scalaire MS;
d) traiter les données acquises à l'étape c) pour obtenir automatiquement le
vecteur champ magnétique local P et les erreurs des mesures associées
à chaque instrument.
[0049] De
préférence, les premier et second supports orientables 320 et
310 les motorisations principale 322 et secondaire 312, le dispositif de
recherche de Nord 324, les moyens de commande des motorisations 340, et le
dispositif de mesure et d'acquisition angulaire 350 sont constitués de
composants non magnétiques, c'est-à-dire que la susceptibilité magnétique des
matériaux qui les constituent est comprise entre -1 et 1, de préférence entre -
10-1 et 10-1, de manière encore plus préférée entre -10-3 et 10-3. Par
exemple,
les matériaux sont des matériaux choisis parmi : céramique, aluminium, arcap,
titane, cuivre, ertalon, nylon, ertacetal, peek.
[0050] La
Figure 7 montre un second exemple d'observatoire magnétique
autonome 700 selon l'invention. Dans cet exemple, l'observatoire magnétique
autonome comprend un magnétomètre angulaire MA, un magnétomètre
scalaire MS, un variomètre MV, une horloge 201, un contrôleur 202 tel que
décrit précédemment. L'observatoire 700 comprend en outre une source
d'énergie 701, et le contrôleur 202 est en outre capable d'acquérir et de
transférer des données depuis les instruments (MA, MS, MV) vers un réseau
extérieur via un système de communication 702. De préférence, les
magnétomètres sont éloignés des différentes électroniques afin de ne pas être
perturbés par celles-ci. Le magnétomètre angulaire MA et le variomètre MV
peuvent être insérés dans des enceintes à forte inertie thermique et
isolantes.
Une structure sandwich peut aussi être envisagée. Le magnétomètre
angulaire MA et le variomètre MV peuvent aussi être installés sur un support
stable tel qu'un pilier ancré sur une base solide 730. La base peut être de la
roche ou une dalle composée de matériaux amagnétiques. Dans l'exemple de
la Figure 7, deux abris 710 non magnétiques entourent une pluralité de piliers
711 et comprenant une paroi isolée 720 dont l'épaisseur moyenne est comprise
entre 1 et 60 cm, de préférence, entre 2 et 30 cm, de manière encore plus
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préférée entre 5 et 10 cm. De préférence, la pluralité de piliers non
magnétiques, de préférence en béton, dont les dimensions [épaisseur, largeur,
longueur] moyennes sont comprises entre [1, 10, 10] cm et [6, 10, 10] m, de
préférence, les dimensions [épaisseur, largeur, longueur] moyennes sont
comprises entre [10, 20, 20] cm et [1, 2, 2] m, de manière encore plus
préférée
entre [15, 25, 25] cm et [0.25, 0.5, 0.5] m, lesdits piliers étant séparés par
une
distance moyenne comprise entre 0 et 10m, de préférence comprise entre 1 et
6 m, de manière encore plus préférée entre 2 et 4 m. Dans cet exemple, l'un
des abris 710 comprend le magnétomètre vectoriel MV et l'autre le
magnétomètre angulaire MA. De préférence, l'observatoire comprend un seul
abri 710.
[0051] De préférence, les piliers non magnétique 711 supportent au
moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire MS, le
magnétomètre angulaire MA, le variomètre MV, l'horloge 201, le contrôleur 202.
De préférence, l'abri non magnétique protège au moins un des éléments
suivants : le magnétomètre scalaire MS, le magnétomètre angulaire MA, le
variomètre MV, l'horloge 201, le contrôleur 202.
[0052] L'observatoire magnétique autonome selon l'invention peut être
installé sur terre ou sous l'eau, par exemple au fond de la mer. Lorsqu'il est
immergé, les instruments (MA, MS, MV), l'horloge 201 et le contrôleur 202 sont
protégés par un ou plusieurs boitiers de protection étanches. Les instruments
(MA, MS, MV), l'horloge 201 et le contrôleur 202 sont installés dans un
boitier
unique, ou, de préférence, dans des boitiers séparés. Le ou les boitiers
empêchent l'eau extérieure d'abimer ou détruire leur contenu. Par exemple, un
observatoire magnétique sous-marin peut être alimenté en électricité via des
batteries, un câble sous-marin, une bouée de surface reliée à l'observatoire
par
un câble conducteur, une génératrice électrique à courant marin.
[0053] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode
d'obtention du vecteur champ magnétique local i.
[0054] La Figure 8 montre un diagramme d'un exemple de méthode 800
d'obtention du vecteur champ magnétique local P selon l'invention. Cette
méthode comprend les étapes :
a) S810: mise à disposition d'un observatoire magnétique tel que décrit ci-
dessus ;
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b) S820: le contrôleur 202 acquiert des mesures du module du vecteur
champ magnétique local, F, mesurées avec le magnétomètre scalaire
MS à des instants différents ti ;
c) S830 : le contrôleur acquiert des mesures des trois composantes
mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local
P , dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre MV aux instants différents
ti ;
d) S840: le contrôleur commande la motorisation principale 322 pour
modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 et, en
fonction des indications du capteur d'inclinaison, mesure la verticale, V;
e) S841 : le contrôleur commande la motorisation secondaire 312 pour
modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 et, en
fonction des indications du dispositif de recherche de Nord 324, mesure
la direction du Nord géographique N ;
f) S842: le contrôleur commande les motorisation principale et secondaire
pour modifier les orientations horizontale et verticale du magnétomètre
angulaire MA et, en fonction des indications du capteur magnétique 323
obtenues aux instants différents ti, mesure deux angles, D* et 1*,
correspondant à la direction du vecteur champ magnétique local P ;
g) S843 : le contrôleur calcule les valeurs absolues des deux angles à partir
des directions obtenues aux étapes d) à f), tel que : D = D*-N et 1 = 1*-V ;
h) S850 : le contrôleur calcule des lignes de base du variomètre MV à un
instant t, moyenne des instants différents ti, en utilisant le module absolu
du vecteur magnétique local F, obtenu comme à l'étape b) et les angles
obtenus comme à l'étape g) ;
i) S860 : le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante
mathématiquement indépendante du variomètre MV;
j) S861 : le contrôleur calibre l'orthogonalité et l'orientation dans l'espace
des trois composantes mathématiquement indépendantes du variomètre
MV et calcule des matrices de rotations Eulérienne E;
k) S870 : le contrôleur calcule la valeur du vecteur champ magnétique local
P en effectuant les étapes de:
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1) S871 : obtention des mesures orientées en appliquant des
rotations Eulérienne E, obtenues à l'étape j), aux trois mesures du
variomètre MV : dU, dV, et dW ;
2) S872 : obtention des mesures à l'échelle en multipliant les trois
5
mesures orientées du variomètre MV par les facteurs d'échelles
respectifs obtenus à l'étape i) ;
3) S873: obtention des 3 composantes du vecteur champ
magnétique local P en additionnant les lignes de base aux trois
mesures orientées et à l'échelle.
10 [0055]
Le vecteur champ magnétique local P varie dans le temps, c'est
pourquoi il faut réaliser des mesures à différents instants ti.
[0056] Le
magnétomètre scalaire MS est un instrument capable de
fournir la valeur du module du champ magnétique local F avec une précision
telle que l'erreur de mesure généralement inférieure à 1 nT, de préférence
15
inférieure à 0.5 nT, idéalement inférieure à 0.2 nT. Le contrôleur 202 de
l'observatoire autonome est configuré pour acquérir les valeurs fournies par
le
magnétomètre scalaire MS.
[0057] De
préférence, le contrôleur 202 commande les motorisations
principale 322 et secondaire 312 pour mesurer la direction verticale V à
l'aide
20 du capteur d'inclinaison. Le contrôleur est également configuré pour
commander les motorisations principale 322 et secondaire 312 pour mesurer la
direction du Nord géographique N à l'aide du dispositif de recherche de Nord
324.
[0058] De
préférence, le dispositif de recherche de Nord 324 est un
détecteur de rotation absolue et la recherche du Nord géographique N consiste
en la modification de l'orientation horizontale du premier support orientable
320
jusqu'à ce que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure
nulle. Le contrôleur 202 acquiert alors l'orientation du premier support
indiquant
le Nord géographique N.
[0059] Alternativement, le dispositif de recherche du Nord est un
détecteur de rotation absolue et la recherche du Nord géographique N
comprend les étapes :
a) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour
que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle
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et acquérir l'orientation Ni du premier support orientable correspondant
à cette mesure ;
b) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de
180 et ajuster l'orientation horizontale pour que le détecteur de rotation
absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N2
du premier support orientable correspondant à cette mesure ;
c) modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 de 1800
et ajuster l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour
que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle
et acquérir l'orientation N3 du premier support orientable 320
correspondant à cette mesure ;
d) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de
180 et ajuster l'orientation horizontale pour que le détecteur de rotation
absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N4
du premier support orientable correspondant à cette mesure ;
e) calculer la direction du Nord géographique N selon la moyenne des
quatre mesures : N=(N1+N2+N3+N4)/4.
La mesure du Nord géographique N et de la verticale V permet de définir un
repère de référence dans lequel sera exprimé le vecteur champ magnétique
local P.
[0060]
Une fois la direction du Nord géographique N et de la verticale V
connue, nous avons un référentiel local dans lequel exprimer deux orientations
du vecteur champ magnétique local P qui sont déterminées par le contrôleur
202 à l'aide du magnétomètre angulaire MA et de son capteur magnétique 323.
De préférence, le capteur magnétique 323 du magnétomètre angulaire MA est
un capteur directionnel de sorte que seule une composante du champ
magnétique local parallèle à l'axe sensible du capteur est mesurée. La sortie
du
capteur est alors donnée par le produit scalaire suivant : T = k(ii = É ),
avec T, la
sortie du capteur habituellement exprimée en nanoTesla (nT), k, un facteur
d'échelle du capteur, fi, un vecteur unitaire parallèle à l'axe sensible du
capteur
et É, le vecteur champ magnétique local. Par exemple, une orientation du
capteur magnétique 323 normale au champ magnétique conduit à un produit
scalaire nul. On parle alors de méthode de zéro. Le contrôleur 202 est donc
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configuré pour mesurer les deux angles, D* et 1*, en modifiant l'orientation
horizontale du premier support orientable 320 jusqu'à ce que le capteur
magnétique indique une valeur minimum qui est idéalement un zéro, ce qui
donne une première orientation D*. Le contrôleur modifie ensuite l'orientation
verticale du second support orientable 310 jusqu'à ce que le capteur
magnétique indique une valeur minimum qui est idéalement un zéro, ce qui
donne une seconde orientation 1*.
[0061] De préférence, on mesure plusieurs zéros dans le but de
réduire
les erreurs de mesures ainsi que certaines erreurs dues aux instruments. De
manière générale, la composante du champ magnétique mesurée par le
capteur magnétique 323 peut être exprimée en fonction des deux degrés de
liberté ainsi que de différents défauts d'alignement en utilisant le modèle
connu
de l'homme de métier de Lauridsen (Lauridsen, K.E., 1985. Experiences with
the DI-fluxgate magnetometer inclusive theory of the instrument and
comparison with other methods. Danish Meteorological Institute Geophysical
Papers, R-71) :
T = H cos(a ¨ D) (cos(/3) ¨ e sin(/fl) ¨ yH sin(a ¨ D) + Z(e cos(13) +
sin(/fl)
+T0
avec : T: la sortie du capteur magnétique 323, TO : un éventuel offset, H: la
composante horizontale (dans le plan perpendiculaire à l'axe principal 321) du
vecteur champ magnétique local P , Z: la composante verticale (parallèle à
l'axe
principal) du vecteur champ magnétique local P , D: la déclinaison magnétique,
a: angle du magnétomètre angulaire MA dans le plan horizontal par rapport au
Nord géographique, ig : angle dans le plan vertical par rapport à verticale, e
:
défaut d'alignement du capteur magnétique 323 par rapport à son axe sensible
dans un plan vertical, y : défaut d'alignement du capteur magnétique par
rapport à son axe sensible dans le plan horizontal lorsque l'axe sensible est
horizontal. Les directions angulaires du champ magnétique sont alors
déterminées en cherchant des orientations de capteur magnétique
essentiellement perpendiculaires au champ magnétique. Des méthodes
(Lauridsen, Kerridge : Kerridge, D.J. (1988). Theory of the fluxgate-
theodolite.
British Geological Survey Technical Report, Geomagnetism Series, WW/88/14)
connues permettent de compenser les défauts d'alignement et d'offset du
capteur.
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Par exemple, le contrôleur 202 commande les motorisation principale et
secondaire pour modifier les orientations horizontale et verticale du
magnétomètre angulaire MA et recherche des zéros correspondant à 4
orientations (+/-1800 selon l'horizontal et +/- 1800 selon la vertical). Par
exemple, pour la recherche de la déclinaison D, le contrôleur réalise les
étapes :
a) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour
que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et
acquérir l'orientation D1 du premier support orientable correspondant à cette
mesure ;
b) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de
180 et ajuster l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique 323
indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D2 du premier
support orientable correspondant à cette mesure ;
c) modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 de 180
et ajuster l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour
que
le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir
l'orientation D3 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;
d) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de
180 et ajuster l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique 323
indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D4 du premier
support orientable correspondant à cette mesure ;
e) calculer le premier angle correspondant à la direction horizontale du
champ magnétique local selon la moyenne des quatre mesures :
D*=(D1+D2+D3+D4)/4.
De manière similaire, le contrôleur 202 obtient l'inclinaison I en réalisant
les
étapes :
f) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 dans
la direction D*-90 ;
g) réaliser les étapes a) à c) dans lesquelles les orientations horizontale et
verticale sont inversée et dans lesquelles les rôles des premier et second
supports orientables 320, 310 sont inversés, et ainsi acquérir les
orientations
11,12,13.
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h) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 dans
la direction D*-90 et ajuster l'orientation verticale du second support
orientable 310 pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de
mesure nulle et acquérir l'orientation 14 du second support orientable
correspondant à cette mesure ;
i) calculer le second angle correspondant à la seconde direction du champ
magnétique local selon la moyenne des quatre mesures : 1*=(I1+12+13+14)/4.
[0062] Alternativement, une seconde méthode consiste à chercher une
direction dans laquelle le capteur magnétique 323 indique une valeur de
mesure proche de zéro mais qui présente un résidu dT. Les composantes du
champ magnétique local dont on cherche les orientations peuvent être
converties selon les relations suivantes :
180 (dT)
61) = ¨asin ¨H
7t
180 (dT)
61 = ¨asin ¨F
7t
Avec H représentant l'intensité de la composante horizontale du vecteur champ
magnétique local P et F le module du vecteur champ magnétique local. Chaque
mesure est alors corrigée de son résidu.
[0063] Les orientations D et I sont ensuite calculées par le
contrôleur 202
dans le référentiel du Nord géographique N et de la verticale tel que : D = D*-
N
et I = 1*-V.
[0064] Le contrôleur 202 acquiert des valeurs des trois composantes
du
vecteur champ magnétique local P : dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre
MV aux instants différents ti. Dans un observatoire magnétique, la mesure du
champ magnétique est de préférence aussi réalisée au moyen d'un
magnétomètre vectoriel, aussi appelé variomètre MV, qui mesure les variations
des trois composantes du champ magnétique à intervalle régulier (p.ex. 10 Hz,
1 Hz, 0.05 Hz). Il s'agit de mesures relatives par rapport à une référence.
Ces
mesures doivent donc être calibrées à l'aide de mesures absolues fournies par
un magnétomètre angulaire MA et un magnétomètre scalaire MS.
Les valeurs des trois composantes du vecteur champ magnétique local P : dU,
dV, dW, mesurées avec le variomètre MV sont des variations des composantes
autour d'une valeur de référence. Cette valeur de référence, généralement
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appelée ligne de base LDB, est déterminée en soustrayant la variation
temporelle de la composante à sa valeur absolue ou complète. La variation
temporelle est la valeur relative de la composante mesurée par le variomètre
MV. Pour une composante C, la relation est: Co = C(t) ¨ 6 C (t) , avec : C0:
la
5 LDB d'une composante C supposée indépendante du temps, C(t) : la valeur
absolue de C à l'instant t (déterminée par les mesures absolues du
magnétomètre angulaire MA et du magnétomètre scalaire MS) et 6 C (t) : la
variation de C à l'instant t mesurée par le variomètre MV. Le calcul des
lignes
de base du variomètre MV à un instant t, moyenne des instants différents ti,
est
10 donc obtenu en utilisant le module absolu du vecteur magnétique local F
et les
angles D et I.
La valeur de LDB ne dépend que de la mise en oeuvre de MV et non du champ
magnétique lui-même. Cependant, cette valeur peut varier dans le temps sous
l'effet, par exemple, de la température. Des mesures absolues régulières
15 permettent alors son ajustement. Le calcul des LDB peut aussi faire
intervenir
un changement de coordonnées, par exemple des coordonnées D, F, I à des
coordonnées quelconques U, V, W. Le contrôleur 202 calcule alors les lignes
de base du variomètre MV sur base des trois mesures du variomètre MV: dU,
dV, et dW, du module absolu du vecteur champ magnétique local F, des deux
20 angles caractérisant la direction du vecteur champ magnétique local P:
l'inclinaison I et la déclinaison D, et, de fonctions gu, gv, gw, permettant
de
réaliser un changement de coordonnées D, F, I à des coordonnées U, V, W. Le
contrôleur calcule les lignes de base Uo, Vo, Wo, selon :
Uo = gu(F,D,I) ¨ dU
25 Vo = g v(F , D, I ) ¨ dV
Wo = gw(F,D,I) ¨ dW.
[0065] Le variomètre MV peut également présenter un défaut de
facteurs
d'échelle (un par composante) qui doivent être calibrés par le contrôleur 202.
En effet, la mesure du champ s'effectue généralement au travers d'une chaine
d'acquisition transformant le signal magnétique de base en un signal
exploitable
par le contrôleur, par exemple, d'un courant, d'une tension ou de bits
digitaux.
Un facteur d'échelle est généralement appliqué pour interpréter le signal en
sortie de la chaîne d'acquisition. La détermination de la ligne de base à
suffisamment haute résolution permet de mettre en évidence cet effet et de le
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corriger. Par exemple, le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque
composante du variomètre MV en effectuant les étapes de :
a) mesure des amplitudes des variations des lignes de base par rapport aux
amplitudes des signaux de chacune des trois composantes du vecteur
champ magnétique local P pendant un laps de temps préétabli ;
b) multiplication des trois mesures du variomètre MV: dU, dV, et dW par
des facteurs correctifs, les facteurs d'échelle, tu, fv, fw ;
c) soustraction des valeurs corrigées et calcul des lignes de base selon :
Uo = gu(F,D,I) ¨ fu*dU
Vo = gv(F,D, I) ¨ fv*dV
Wo = gw(F,D, I) ¨ fw*dW.
d) augmentation ou diminution des facteurs d'échelle respectifs pour réduire
les variations des lignes de base respectives ;
e) correction des mesures du variomètre MV par multiplication par les
facteurs d'échelles respectifs ;
les étapes a) à d) pouvant être répétées jusqu'à ce que l'augmentation ou
diminution des facteurs d'échelle soit inférieure à une valeur prédéterminée.
Par exemple, dans le cas de la déclinaison D, on a :
Do* (t) = D (t) ¨ 6 D* (t)
6 D* (t) = (1 + a).5 D (t)
Do* (t) = D (t) ¨ 6D (t) ¨ a * 6D (t)
Do* (t) = Do ¨ a * 6D (t)
avec : D(t) : la LDB calculée avec un mauvais facteur d'échelle et a: l'erreur
de facteur d'échelle. Les équations précédentes sont transposables aux autres
composantes du champ magnétique.
Enfin, le variomètre MV peut présenter un défaut d'orthogonalité,
d'orientation
ou être mal orienté de manière à mesurer des composantes non
conventionnelles . Ces défauts doivent être corrigés et calibrés par le
contrôleur 202. Dans ce cas, il est possible de déceler une corrélation entre
une
composante mesurée par le variomètre MV et la LDB d'une autre composante
au moyen de mesures absolues régulières. De nouveau, la correction tend à
minimiser cette corrélation. La correction consiste à appliquer une matrice de
changement de base pour retrouver les composantes de base du champ
magnétique. La matrice de changement de base est appelée matrice
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Eulérienne, E. Le contrôleur calibre ainsi l'orthogonalité et l'orientation
dans
l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du
variomètre MV et calcule des matrices de rotations Eulériennes E en effectuant
les étapes de:
a) examen de la variation de la ligne de base d'une composante en fonction
de l'amplitude du signal des autres composantes pendant un laps de temps
prédéterminé ;
b) calcul des matrices de rotation Eulériennes E et ajustement des
orientations jusqu'à ce que la variation de la ligne de base soit inférieure à
une valeur prédéterminée.
[0066]
Les défauts précédemment cités peuvent être présents lors de la
mise en oeuvre de l'observatoire, varier ou apparaître dans le temps. Le
variomètre MV peut, par exemple, être installé sur un pilier non stable. La
correction apportée doit alors se faire au fur et à mesure de l'exploitation
de
l'observatoire. En particulier, la présente invention peut contrôler et
corriger ces
défauts en temps réel.
[0067]
Une fois les différentes calibrations réalisées, le contrôleur 202
calcule la valeur du vecteur champ magnétique local P en effectuant les étapes
de:
a) S871 : obtention des mesures orientées en appliquant des rotations
Eulérienne E aux trois mesures du variomètre MV : dU, dV, et dW ;
b) S872 : obtention des mesures à l'échelle en multipliant les trois mesures
orientées du variomètre MV par les facteurs d'échelle ;
c) S873 : obtention des 3 composantes du vecteur champ magnétique local
P en additionnant les lignes de base aux trois mesures orientées et à
l'échelle.
[0068]
Par exemple, le variomètre MV peut mesurer les variations des
composantes X, Y, Z, H et F généralement exprimées en nanoTesla (nT) ou
angulaires D et I habituellement exprimées en arcmin, arcsec, degrés-minutes-
secondes ou degrés décimaux. Le module du champ magnétique local est
donné par le magnétomètre scalaire MS, les valeurs absolues des
composantes angulaires, de préférence, la déclinaison D et l'inclinaison I,
sont
fournies par le magnétomètre angulaire MA.
Cas d'un observatoire en configuration XYZ
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[0069] Le variomètre MV mesure des variations des composantes
cartésiennes du champ, chaque axe sensible est orienté dans la direction de la
composante à mesurer. Les lignes de base de chaque composante sont : X0 =
X(t) ¨ 6X(t), Y0 = Y (t) ¨ 6Y (t) , Z0 = Z(t) ¨ 6Z (t). Ces lignes de bases
(LDB)
sont supposées constantes. Or, il est possible que les facteurs d'échelle des
mesures soient erronés. Il apparaît alors une corrélation entre LDB et sa
composante. Un processus itératif permet alors d'ajuster le facteur d'échelle.
Par exemple, pour X, on a que :
X0(t) = X(t) ¨ (1 + OMM, X(t) = X0 ¨ a * 6X (t), corr(X0 (t), X (t)) # 0, avec
corr, le coefficient de corrélation linéaire. On peut soit chercher à
minimiser le
coefficient de corrélation (ou la covariance) ou directement minimiser les
variations de LDB ou une combinaison des deux. Une solution possible
consiste à effectuer plusieurs mesures absolues par jour (p.ex. chaque 30 min
ou chaque heure) et observer une variation diurne de LDB correspondant à la
variation diurne de sa composante. On détermine alors :
t1 = t I X0(t1) = max(X0*(t)), t2 = t I X(t2) = miri(X0*(t)), a 5k: sx(ti)-
8Y(t2)
Alternativement, les mesures peuvent s'étaler sur plusieurs jours et peuvent
aussi être moyennées ou lissées.
Les mesures peuvent présenter un défaut d'orientation. De nouveau, une
solution consiste à mesures la LDB à une fréquence permettant de mettre en
évidence une variation diurne. La Figure 9a montre un exemple de défaut de
nivellement 0 suivant un axe est-ouest correspondant à une rotation autour de
l'axe X. La sortie du capteur devient alors (en notation matricielle) :
( 6x*) (1 0
6y* , 0 cos(0) sin() (66n
6Z* 0 ¨sin() cos(0)) .5Z)
On trouve une matrice de rotation autour d'un axe X. Le calcul de la LDB tel
que présenté plus haut requiert alors la transformation inverse qui n'est
autre
que la transposée de la matrice précédente.
(6n (1 0 0 ) (6)1
61( , 0 cos(0) ¨sin() 6y*
.5Z) 1:) sin(0) cos(0) 6Z*
La valeur de 0 peut être déterminée empiriquement ou par calcul
(éventuellement itératif) en considérant la LDB. On peut, par exemple,
chercher
à minimiser la variance de la ligne de base ou la covariance de la LDB avec
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une autre composante. Dans le cas d'un défaut d'orientation faible, on peut
supposer : cos(0) ,--- 1 et sin(0) P-- 0 (en radians) :
La variation de LDB est donc proportionnelle à la composante Y des mesures
du variomètre MV. En considérant Zo constant, on peut estimer la valeur de 0 :
Zo* ¨z0
0 = ____________________________________ 61(
Cependant, Zo n'est pas directement accessible. Une solution est de prendre
les variations de Zo* et 6Y peak-to-peak , éventuellement filtrées ou
lissées
pour éviter des effets de bruit de mesure :
zwi)-4(t2)
t1 = t I Z0*(t1) = max(Z0*(t)), t2 = t I Z(t2) = min(Z0*(t)), 0 5k: sy(ti)-
8Y(t2).
La Figure 9b montre un exemple d'une mesure de ligne de base, Zo d'une
composante Z du champ présentant un défaut de nivellement dans la direction
est ouest. En particulier, la Figure 9b illustre le cas d'un défaut de
nivellement
de 5 dans la direction est ouest. Les variations des lignes des bases Zo (en
nano Tesla, nT) non corrigée (uncorrected baseline) et corrigée (corrected
baseline) sont représentées sur une période de trois jours (en abscisse, day).
Cas d'un observatoire en orientation quelconque
[0070] Dans le cas d'une orientation quelconque du variomètre, un
algorithme possible est présenté à la Figure 10. Il consiste à appliquer
successivement des matrices de rotations Rx et Ry autour des axes X et Y
respectivement de manière à redresser mathématiquement l'axe Z. Ces
rotations virtuelles sont déterminées de manière à minimiser un coefficient
particulier tel que la variance de Zo* ou la covariance de Zo* et 6Y ou 6X ou
une
combinaison des deux. Par exemple, les deux paramètres à minimiser peuvent
être déterminés comme suit :
zy = -µ/VAR (Z0)2 + COV(Zo*, 15Y)2
ZX = -µ/VAR (Z0)2 + COV(Zo*,6X)2
Avec COV(A,B) la covariance de A et B. Ensuite, une matrice de rotation autour
de l'axe Z est appliquée de manière à minimiser la variance de Xo* ou Y,:;" ou
la
covariance de ces LDB avec 6Y ou 6X ou une combinaison de ces paramètres.
Un processus similaire peut être employé en amont ou en aval de la correction
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d'orientation pour ajuster les facteurs d'échelle. L'ensemble de l'algorithme
peut
comporter plusieurs itérations.
Cas d'un observatoire en configuration DFI
[0071] Le variomètre MV mesure des variations des composantes du
5 champ correspondant à un système de coordonnées sphériques. Le variomètre
MV mesure des variations du champ magnétique local suivant trois directions
orthogonales dont une est orientée parallèlement au champ magnétique et
mesure son intensité de la même manière que dans une configuration
cartésienne. Les deux autres directions se trouvent dans un plan
10 perpendiculaire au champ magnétique. En particulier, la direction
permettant la
mesure relative de D, se trouve dans un plan horizontal perpendiculairement au
champ magnétique tandis que celle permettant la mesure de I se situe dans le
méridien magnétique. Ces deux axes enregistrent la projection du champ
magnétique (H pour la mesure de D et F pour la mesure de I). Une
15 transformation similaire à celle employée lors des mesures absolues D et
I
permet alors de passer d'un résidu à une valeur angulaire.
Tout comme pour la configuration cartésienne, les mesures de MV peuvent être
entachées d'une erreur de facteur d'échelle. Une procédure similaire est alors
employée pour les ajuster, à savoir : effectuer des mesures de LDB à haute
20 .. fréquence (p.ex. chaque heure) et ajuster le facteur d'échelle d'une
composante
(relative) pour en minimiser sa variation de LDB. Le coefficient de
corrélation
linéaire peut être employé.
Un défaut d'alignement de MV produit des effets qui dépendent de la
composante mesurée. Pour F et I, l'effet n'est pas critique car c'est le champ
25 total F qui est projeté. On a donc une relation du second ordre. En
revanche, la
mesure relative de D utilise la projection de H (axe sensible dans le plan
horizontal). Un défaut d'horizontalité induit une projection de la composante
Z
du champ. On obtient alors une dépendance de LDB en fonction de F sin(1).
L'ajustement consiste donc à déterminer une corrélation entre la composante
30 .. calculée Z = F sin(I) et la LDB de D.
Cas d'un observatoire en configuration HDZ
[0072] Le variomètre MV mesure des variations des composantes du
champ correspondant à un système de coordonnées cylindriques. Elle peut être
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considérée comme intermédiaire aux deux précédentes. Une généralisation
peut se faire dans le cas d'une orientation quelconque de MV.
[0073] La présente invention a été décrite en relation avec des modes
de
réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne
doivent
pas être considérés comme limitatifs. D'une manière générale, la présente
invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. En
particulier, l'invention concerne également les combinaisons des
caractéristiques techniques des modes de réalisation énoncés plus haut.
L'usage des verbes comprendre , inclure , comporter , ou toute autre
variante, ainsi que leurs conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la
présence d'éléments autres que ceux mentionnés. L'usage de l'article indéfini
un , une , ou de l'article défini le , la ou l' , pour
introduire un
élément n'exclut pas la présence d'une pluralité de ces éléments. Les numéros
de référence dans les revendications ne limitent pas leur portée.
[0074] En résumé, l'invention peut également être décrite comme suit.
Observatoire magnétique autonome 200 qui comprend un magnétomètre
scalaire MS pour la mesure du module du vecteur champ magnétique local F,
un magnétomètre angulaire MA pour la mesure de la direction de la verticale V,
de la direction Nord géographique N, de la direction du vecteur champ
magnétique local P , un variomètre MV pour mesurer trois variations du vecteur
champ magnétique local P , une horloge 201, et un contrôleur, 202.
Observatoire dans lequel le contrôleur est configuré pour commander et gérer
l'orientation de capteurs, acquérir les mesures du variomètre MV, du
magnétomètre scalaire MS, du magnétomètre angulaire MA et du variomètre
MV, traiter les mesures acquises pour obtenir automatiquement le vecteur
champ magnétique local P et les erreurs des mesures associées à chaque
instrument.
