14èmes Journées de l’Hydrodynamique
18-19-20 novembre 2014
DGA Techniques hydrodynamiques Chaussée du Vexin
27105 Val de Reuil
MESURE DE DEFORMEE DE SURFACE LIBRE PAR TECHNIQUES OPTIQUES
FREE SURFACE MEASUREMENT BY OPTICAL TECHNIQUES
R. BOUCHERON*, O. PERELMAN*, G. GOMIT†, D. FRECHOU*, L. CHATELLIER†, L. DAVID†, Ch. HUBERT††, J.B. RICHON₣
* DGA Techniques hydrodynamiques, Chaussée du Vexin, BP510 27105 Val de Reuil Cedex France [email protected]
+ Institut Pprime, CNRS, Université de Poitiers, 86000 Poitiers France
†† ERROL, 94100 Saint Maur des Fossés, France
₣ Laser and Imaging Sciences Ltd, Edinburgh EH9 1SX United Kingdom
Résumé
DGA Techniques hydrodynamiques est un institut en hydrodynamique navale qui réalise des expertises de plates-formes navales au moyen d’outils de calcul numériques ou d’essais sur maquette à échelle réduite. Lors des études expérimentales sur ces plates-formes navales, la déformée de surface reste un paramètre majeur qu’il est nécessaire de mesurer. Les expérimentateurs s’appuient alors sur plusieurs techniques qui ont été développées au cours des années avec leurs avantages et inconvénients. Nous présentons brièvement les différentes techniques qui ont et qui sont employées à DGA Techniques hydrodynamiques. Une attention particulière sera portée sur les dernières techniques optiques.
Summary
DGA Hydrodynamics performs numerical studies on naval platform and experimental tests on scaled model of these naval platforms. Free surface deformation remains an important parameter for numerous studies and is often to be measured. Engineers have developed many different technics, each of them having advantages and drawbacks. This short communication presents a review of these technics used at DGA Hydrodynamics, with a particular emphasis on last developed optical technics.
I – Introduction
Dans le cadre de ses expertises en hydrodynamique navale, DGA Techniques hydrodynamique développe et utilise différents moyens de mesure de la déformée de surface libre. Les études de comportement de plates-formes navales sous houle font parties des études cruciales vis-à-vis de la sécurité des navires. La connaissance de la houle incidente et également de la houle diffractée par la plate-forme est alors fondamentale.
Pour effectuer ces essais et analyses, DGA Techniques hydrodynamiques possède deux moyens de grandes dimensions. La bassin de traction « Emile Barillon » (545m de long, 15m de large et 7m de profondeur) est équipé d’une plate-forme de remorquage pouvant atteindre des vitesses de 10m.s-1 et d’un générateur de houle capable de simuler des états de mer extrêmes (mer 8-9) en similitude de différentes zones de navigation (Océan Atlantique, mer Méditerranée), pour des échelles de maquettes comprises entre 1/20ème et 1/30ème. Un deuxième moyen d’essais pour les études de comportement sous houle des plates-formes navales est le bassin à houle multidirectionnelle dit « Cuve à houle ». Les dimensions du bassin (32m de long, 10m de large et de profondeur variable par incrément de 0.4m à 2.7m), ainsi qu’un générateur de houle à volets oscillants segmentés en font un moyen typiquement dédié aux essais de plates-formes navales au point fixe et soumis à la houle.
Au cours du temps, les moyens de mesures de la déformée de surface libre ont évolués, tentant de répondre aux multiples facettes du problème de mesure de la houle. Parmi les cas d’essais sur maquette à échelle réduite, la mesure de surface libre est importante pour qualifier la génération de houle (contrôle du batteur à houle), mesurer le champ de vague généré par une carène en mouvement sur un plan d’eau, ou bien encore mesurer le champ de vague diffracté par une carène au point fixe par exemple. Ces différentes mesures présentent des aspects et caractéristiques différents : une mesure « simple » d’une houle régulière 1D (générée par un batteur à houle par exemple) peut être effectuée avec un système de mesure ponctuel, alors qu’une mesure de houle irrégulière (spectre d’amplitude / longueur d’onde) ou de houle réfractée par une plate-forme en mouvement sur houle se doit d’être effectuée par un système global ayant des caractéristiques différentes.
Des sondes résistives aux dernières évolutions stéréoscopiques, le papier présente les différentes techniques de mesure utilisées à DGA Techniques hydrodynamiques. Cette présentation est découpée en deux parties : la première partie présentera les techniques de mesures ponctuelles. La deuxième partie s’intéressera aux techniques de mesures permettant d’obtenir des champs 2D d’une surface libre.
II – Les techniques de mesure ponctuelle
II – 1 Les sondes résistives, capacitives et servo-mécaniques
Historiquement, les trois premiers types de sondes qui ont été développés sont la sonde résistive, la sonde capacitive et la sonde servo-mécanique. Elles sont toutes basées sur une mesure électrique. Les sondes résistives et capacitives utilisent des électrodes plongées dans l’eau et mesure la conductivité ou la capacité. Le principe des sondes servo-mécaniques est de faire osciller une aiguille idéalement à l’interface entre air et eau. La détection du changement de milieu est effectuée en comparant la conductivité de l’aiguille dans l’eau et dans l’air. Un système d’asservissement permet alors de garder l’aiguille alternativement dans l’air puis dans l’eau, et ainsi d’avoir une évaluation de la hauteur d’eau. Le principe de chacune de ces sondes est décrit schématiquement par la figure 1.
Electrodes inox U Courant constant
h K R U I=U= ⋅ ⋅
h courant I
Impédance capacitive
Sonde avec revêtement en
Téflon
Figure 1. Sondes résistive, capacitive et servo-mécanique.
L’inconvénient majeur des deux premières sondes est le caractère intrusif. Elles nécessitent de plus un étalonnage régulier et des corrections doivent être souvent employées pour tenter de corriger les variations de conductivité dues à la température et la nature de l’eau. La limitation de la sonde servo-mécanique est d’abord liée à la taille de l’aiguille utilisée ainsi que de la dynamique du système d’asservissement.
II – 2 Les sondes à ultra-sons
Une avancée majeure dans la mesure de surface libre a été franchie avec les sondes à ultra-sons, sondes non intrusives. Le principe est basé sur la réflexion d’ondes ultrasonores sur la surface libre. La sonde est montée à une altitude fixe au-dessus de la surface libre et va générer des impulsions ultrasonores régulières (typiquement des ondes à 200kHz, à une cadence de quelques Hertz). La hauteur de la houle se calcule alors en mesurant le temps s’écoulant entre l’onde générée et l’onde réfléchie (la célérité des ondes dans l’air étant supposée connue et constante). Un schéma de principe est présenté par la figure 2 à gauche.
Emission 200 kHz
0
2 C T= ⋅Z
Z
t Reception
200 kHz
Emission 200 kHz
Figure 2. Sondes à ultra-sons. Exemple de mesure filtrée (rouge) et brute (bleue).
Le principe de la mesure étant basé sur la réflexion d’une onde sonore pose quelques problèmes dans la pratique : l’expérience montre qu’il ne faut pas une pente de la surface libre trop importante pour que le signal retour soit suffisamment puissant pour être détecté (la limite empirique est d’environ 4%). Lors de fortes déformations de la surface libre, des points aberrants sont fournis par la sonde qu’il est cependant possible d’éliminer en filtrant le signal (voir figure 3 à droite). Cet exemple montre bien que la sonde décroche principalement dans les zones de forte pente de déformée. Ces sondes sont également limitées en dynamique de la mesure : en effet, la sonde doit recevoir le signal « retour » avant d’envoyer l’impulsion suivante. La propagation acoustique s’effectuant à la même célérité, la cadence des impulsions limite alors la hauteur maximale mesurable à 1m crête creux [3].
II – 3 Le houlomètre Laser
Le houlomètre Laser est une technique optique non intrusive, développée à DGA Techniques hydrodynamiques en partenariat avec la société Laser and Imaging Sciences Ltd©
[5]. Un Laser est disposé de façon à ce que le rayon impacte la surface suivant la verticale (voir figure 3). Une caméra est positionnée de façon à regarder l’impact du rayon Laser à la surface. Un traitement d’image associé à une calibration permet alors de donner la valeur de la hauteur du point d’impact par rapport à une référence donnée (typiquement le plan d’eau au repos). Ce traitement peut être aujourd’hui effectué en quasi-temps-réel (temps de réponse de l’information aux environs de 10ms, ce qui est court au regard des caractéristiques temporelles des phénomènes étudiés). Des houles avec des cambrures plus importantes que la limite de 4% des sondes à ultra-sons peuvent être mesurées avec ce houlomètre (la limite est de l’ordre de 10%) avec une amplitude maximale de 1.5m crête creux [3].
LASER 500 mW – 3 W CCD Video
100 image / sec
35°
image CCD H
t
Traitement temps réel
Houle aireau
Figure 3. Schéma de principe et réalisation pratique du houlomètre Laser
Dans la pratique, le système est réalisé à partir d’une structure rigide motorisée. Le Laser et la caméra sont montés et fixés rigidement à cette structure. La calibration d’un tel système peut s’effectuer simplement en déplaçant la structure verticalement par petit pas. On obtient alors une série de mesures qui sert alors de courbe d’étalonnage. La précision d’une telle mesure est principalement donnée par la dimension du faisceau Laser formé à l’interface air- eau ainsi que la taille (ramenée en taille réelle à la surface de l’eau) d’un pixel de caméra. Sur le houlomètre utilisé au bassin de traction Emile Barillon à DGA Techniques hydrodynamiques, la précision est évaluée dans la plupart des cas entre 0.5 et 1.3mm sur l’ensemble de la dynamique de mesure.
III – Les techniques de mesure de surface libre 2D
L’inconvénient majeur des techniques décrites jusqu’alors est le caractère ponctuel. Bien que dans certaines situations, la mesure ponctuelle suffit amplement à qualifier la houle (houle régulière 1D par exemple), dans la plupart des situations la surface libre à mesurer est naturellement 2D. Bien qu’il soit possible d’échantillonner spatialement le champ de mesure avec plusieurs sondes ponctuelles, il est plus intéressant d’obtenir des mesures globales 2D à partir d’une technique dédiée à cette mesure. Ces techniques sont présentées dans les paragraphes suivants.
III – 1 Mesure par tranche Laser
Le principe est dérivé du principe du houlomètre Laser. L’idée est d’illuminer l’interface air/eau par une tranche Laser et non plus par un rayon. A DGA Techniques hydrodynamiques, cette tranche Laser est générée au fond du bassin et est réglée de façon à arriver verticalement dans la zone de mesure (définie par le plan de la tranche Laser). La mesure est alors effectuée par une caméra. Le principe de la technique ainsi qu’un exemple d’image acquise par un tel système est montré sur la figure 4. Cette image présente ici une ligne blanche sur fond noir.
Un traitement de signal adapté permet alors de détecter l’interface air/eau.
Figure 4. Houlomètre par tranche Laser
La calibration d’un tel système peut être effectuée hors du bassin. Le principe est présenté schématiquement par la figure 5. Une grille de calibration est disposée en air en lieu et place de la tranche Laser et utilisée pour calibrer les caméras, montées sur une structure rigide. Une calibration 2D est suffisante puisque le champ de mesure est représenté par la tranche Laser et est par nature 2D.
63°
1519
870
Caméra 63°
1519
870
Caméra
Grille de calibration Configuration optique
pour la calibration
Configuration optique pour la mesure
Tranche Laser
Figure 5. Principe pour la calibration du houlomètre par tranche Laser
Bien que la calibration puisse être effectuée hors du moyen d’essai, la génération de la nappe Laser est un point critique de la mesure et notamment sa finesse (beamwaist à l’interface) et sa puissance. La génération de nappe par une lentille semi-cylindrique par
exemple ne permet pas d’avoir suffisamment d’énergie lumineuse. Il faut recourir alors à des systèmes comme les disques tournants pour émettre suffisamment d’énergie au niveau de l’interface. Ces systèmes doivent également être montés et pilotés pour réglages dans des caissons étanches ce qui alourdit les conditions de mise en œuvre. Néanmoins, cette technique présente des avantages : la mesure étant linéaire et s’effectuant à poste fixe, la mesure d’une surface entière ne nécessite qu’un seul passage de carène. La résolution de cette technique dépend fortement du montage optique (taille du capteur, focale utilisée) et également de la taille de l’impact Laser sur la surface libre et est évaluée dans notre montage à 0.5mm.
III – 2 Mesure par stéréovision et inter-corrélation
Le développement récent des techniques de vision stéréoscopique a permis d’imaginer des techniques de reconstruction de surface libre à partir de « simples » prises d’image de surface. Le principe (voir figure 6) est de disposer d’un capteur stéréoscopique (c'est-à-dire a minima de deux caméras), de faire en sorte que ces caméras visent le même champ avec des angles de vue différents puis de calibrer ce capteur.
Caméra 1
Houle
Caméra 2
Traitement d’image
Figure 6. Houlomètre par capteur stéréoscopique calibré
La prise d’image des deux caméras s’effectuant de façon synchrone, la surface vue par le capteur est rigoureusement la même. Il ne reste alors qu’à traiter les images pour remonter à la déformée de la surface libre. Cette technique a été utilisée avec succès pour mesurer des ondes à la surface de la mer [8] mais reste délicate en bassin [4]. Ceci est dû à la structure plus lisse et moins contrastée de la surface libre en bassin. L’utilisation d’ensemencement est alors nécessaire pour matérialiser la surface libre et donne de bons résultats [4]. La figure 7 montre un exemple d’image d’acquisition sur une des deux caméras du couple stéréoscopique et le traitement associé effectué sur la partie entourée de rouge.
Figure 7. Exemple d’image et de résultat de stéréo-corrélation
-0.6-0.5-0.4 -2
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
X (m) Y (m)
Z (m)
III – 3 La mesure par projection de motif
Une variante de la technique de stéréovision et inter-corrélation a été testée récemment à DGA Techniques hydrodynamiques. L’ensemencement par des particules nécessite, sur un bassin de 545m une grande quantité de particules si toute la longueur du bassin est utilisée.
La technique testée consiste à générer un motif de contraste lumineux soit par un vidéoprojecteur soit par un rétroprojecteur à la surface de l’eau pour la matérialiser. Une série de tests, effectués à DGA Techniques hydrodynamiques, montre qu’il est nécessaire pour améliorer le contraste d’ajouter un élément venant troubler la clarté de l’eau (voir figure 8).
Caméra 2
Caméra 1 Vidéoprojecteur
Image de motifs
Figure 8. Méthode par projection de motif.
La corrélation permet alors de remonter à la hauteur de la surface libre. Un essai sans ajout d’agent troublant montre que la technique échoue notamment parce que la surface libre joue le rôle d’un miroir parfait et que, les caméras n’étant pas au même endroit, voient alors la réflexion d’un même motif à un endroit différent.
III – 4 Mesure par stéréo-réfraction
La mesure par réfraction est une technique récente [7]. Elle est basée sur le principe de réfraction de la lumière au niveau de l’interface air/eau qui constitue la surface libre à mesurer.
Figure 9. Le principe de réfraction, utilisé pour la mesure par stéréo-réfraction
La figure 9 illustre le principe. Sur le schéma de gauche, un motif est vu via le dioptre eau/air générant un changement d’orientation des ondes lumineuses (principe de réfraction).
A partir de la connaissance de ce rayon réfracté, il n’est pas possible de remonter à la surface car plusieurs chemins (correspondant à plusieurs surfaces libres différentes) peuvent générer le rayon observé (schéma du milieu). Il est alors nécessaire d’avoir une autre mesure (deuxième caméra – schéma de droite) afin de reconstruire la surface. Cette technique a été testée par l’institut Pprime [1-2] avec succès. Dans l’expérience de test (voir figure 10 à gauche), le bassin est ensemencé. L’image de référence du motif n’étant pas régulière ni connue, a été mesurée par une troisième caméra située sous le bassin.
Figure 10. Expérience de stéréo-réfraction.
Des exemples de résultats sont reportés en figure 11. A gauche, le résultat de la mesure de la surface libre. A droite se trouve la comparaison, d’un profil longitudinal mesuré par la technique de stéréo-réfraction (points rouges) et la stéréo-corrélation classique (méthode du
§3.2). Un bon accord peut être observé entre les deux techniques. Quelques points aberrants peuvent néanmoins être observés aux fortes amplitudes de houle. A noter que les deux mesures ont été effectuées sur deux essais différents.
Figure 11. Résultat de la mesure d’une surface libre par stéréo-réfraction. Comparaison avec la méthode de stéréo-corrélation
Les écarts de mesures sont évalués à 0.7mm sur l’ensemble du champ de mesure (200x200mm²).
III – 4 La mesure par projection et balayage Laser
Figure 12. Système de projection et balayage de faisceau Laser
Une nouvelle technique stéréoscopique a été testée à DGA Techniques hydrodynamiques en collaboration avec l’institut P’. Le dispositif, décrit par la figure 12, consiste à pointer dans une direction avec un dispositif Laser, conçu par la société ERROL©. Deux caméras sont réglées de façon à voir le même champ. Ainsi, lorsque le Laser émet un rayon, les deux caméras voient l’impact du rayon à l’interface air/eau ainsi que la trace de ce rayon dans l’eau. En effectuant alors une triangulation des deux paires de coordonnées détectées provenant des deux caméras et en utilisant une calibration préalablement effectuée, nous pouvons remonter aux coordonnées 3D du point d’impact [6,9].
La projection d’une trame régulière par un dispositif optique présente des déformations que l’on peut corriger dans les paramètres de pilotage du Laser (phénomène d’anamorphose) de façon à discrétiser la surface d’une façon assez régulière. De plus, afin de permettre une bonne précision sur l’ensemble de la surface, un paramètre important a été pris en compte dans le pilotage du dispositif Laser : le beamwaist. Des dispositifs optiques peuvent permettre de faire converger le rayon afin de positionner le beamwaist à la distance souhaitée. Le dispositif imaginé et réalisé par la société ERROL permet de piloter la position du beamwaist entre 3 et 6m (dans notre configuration) suffisamment rapidement pour pouvoir tenir les cadences nécessaires à la réalisation d’un essai de test (25Hz).
La calibration des caméras s’effectue d’une façon traditionnelle avec une mire 2D disposée à différentes hauteur. Un essai de qualification de la méthode a été réalisé dans le bassin Emile Barillon avec une carène connue. Le champ de mesure se situe côté bâbord de la carène et mesure approximativement 5x7m². Les deux caméras sont situées de part et d’autre du dispositif Laser, situé lui aux environs du milieu du champ de mesure. La surface générée côté bâbord de la carène a été discrétisée par une grille de 53x40 points. L’acquisition est effectuée à 25Hz, ce qui permet d’achever la séquence des 2120 points en un peu plus d’une minute. Une photographie d’une partie de cette grille, prise par un appareil photo lors d’un essai en réglant un temps d’ouverture très grand, est présentée par la figure 13.
Figure 13. Photographie de la grille de discrétisation spatiale de la mesure par un appareil photo ayant un temps d’exposition très grand
La carène testée ici a également été l’objet d’une campagne de mesure [4] avec la technique du houlomètre par tranche Laser (§3.1). La figure 14 montre la comparaison entre les deux techniques de la même surface libre mesurée avec les deux techniques différentes, à la même vitesse d’avance (2.95m.s-1).
Figure 14. Mesure de la surface libre autour du modèle. Comparaison entre la méthode par tranche Laser (mesures côté tribord) et la technique par projection balayage (mesures côté
bâbord). A droite, un profil longitudinal à Y=2000mm).
Les résultats sont en accord entre les deux techniques. Quelques points, proche carène sont mal détectés, probablement dû au fait qu’il y a quelques réflexions parasites du rayon Laser sur la carène qui viennent perturber le traitement d’image.
La précision de mesure de la technique de balayage va dépendre de plusieurs paramètres : la finesse du point d’impact du Laser sur le capteur de chaque caméra, le contraste des images acquises par les deux caméras, la performance de l’algorithme de détection de point et notamment par l’évaluation sub-pixel de cette position, la qualité de la calibration ainsi que la résolution du capteur stéréoscopique.
VI – Conclusion
En guise de conclusion, nous dressons un bilan des différentes techniques présentées sous forme de tableau : le premier présente les principales caractéristiques de mise en œuvre du moyen de mesure (celles des systèmes présents à DGA Techniques hydrodynamiques), le deuxième les performances de chacune de ces techniques.
Toutes ces techniques ont leurs propres avantages et désavantages. Les capacités matérielles sans cesse accrues des moyens optiques font aujourd’hui des techniques optiques un moyen de mesure particulièrement intéressant. Les caméras sont équipées de capteurs de plus en plus sensibles, ayant une résolution toujours plus grande. Avec le même dispositif et des objectifs optiques différents, il est très facile d’adapter la taille du champ de mesure à la taille du champ de houle à mesurer, ce qui confère une souplesse d’utilisation des systèmes optiques particulièrement intéressante.
Références
[1] G. Gomit, D. Calluaud, L. Chatellier, L. David & D. Fréchou. 3D wave fields measurements techniques in model basin: Application on ship wave Measurement. 3rd Advanced Model Measurement Technology for the EU Maritime Industry AMT’13, Gdansk, PL, 2013.
[2] G. Gomit, D. Calluaud, L. Chatellier, L. David& D. Fréchou. Développement et application de techniques de mesures optiques pour l’analyse de sillages de navire en bassin des carènes. 13ième Journées de l’hydrodynamique, Laboratoire d’Hydraulique de Saint-Venant, EDF, Chatou, France, Novembre 2013.
[3] D. Fréchou, P. Copeaux, M. Darquier & O. Perelman. Nouveaux développements en bassin d’essais de plates-formes navales. ATMA, Paris, France, 2011.
[4] O. Perelman, C.H. Wu, R. Boucheron & D. Fréchou. 3D wave fields measurements techniques in model basin: Application on ship wave Measurement. 2nd Advanced Model Measurement Technology for the EU Maritime Industry. University of Newcastle, UK 2011.
[5] J.B. Richon, M. Reeves, M. Darquier & D. Fréchou. Development of a Laser Wavegauge for Dynamic Wave Height Measurements in the B600 Towing tank. AMT09, 1st Advanced Model Measurement Technology for the EU Maritime Industry. Ecole Centrale de Nantes, France 2009.
[6] G. Gomit, D. Calluaud, L. Chatellier, L. David, D. Fréchou, R. Boucheron, O. Perelman
& Ch. Hubert. Développement d’un dispositif de mesure de champ de vagues stationnaire en bassin des carènes par technique de stéréovision. 14ème Congrès Francophone de Techniques Laser (CTFL), Marseille, France. Septembre 2014.
[7] G. Gomit, D. Calluaud, L. Chatellier & L. David. Free surface measurement by stereo- refraction. Experiments in Fluids, 54:1540, 2013.
[8] J.M. Wanek & C.H. Wu. Automated trinocular stereo imaging system for three- dimensional surface wave measurements. Ocean engineering, 33:727-747, 2006.
[9] D. Fréchou, G. Gomit, L. Chatellier, L. David, O. Perelman, R. Boucheron, Ch. Hubert &
J.B. Richon. Mesure de déformée de surface libre en bassin de carènes par techniques Laser. 35ème Journée technique de l’Association Française de Vélocimétrie Laser.
Meudon France, mars 2014.
