Système d'acquisition de nouvelle génération pour un système de mesure par radar hautes fréquences des courants océaniques de surface.

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1 Système d'acquisition de nouvelle génération pour un système de mesure par radar hautes fréquences des courants océaniques de surface. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

2 Remerciements. Je Je remercie en premier lieu Louis MARIE, mon maître de stage, qui m'a apporté son aide à maintes reprises. Nicolas THOMAS, ingénieur à Actimar ainsi que son directeur, Vincent MARIETTE, sans lesquels je je n'aurais pas pu accéder au site de de Garchine pour effectuer mes essais et et obtenir de de nombreuses informations sur le le système WERA. Je Je tiens aussi à remercier trois autres personnes, Michel HAMON pour son aide dans le le domaine de l'électronique, Fabrice ARDHUIN et et David CORMAN du SHOM pour leur soutien aux essais à Garchine. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

3 Résumé. Ce projet a pour but la réalisation d'un système d'acquisition de nouvelle génération pour un système de mesure par radar hautes fréquences des courants océaniques de surface. Le radar concerné est le système WERA (WEllen RAdar), développé par l'université de Hambourg en Allemagne, et commercialisé par la société «Helzel Messtechnik». La présente étude visait à évaluer la faisabilité d'évolutions du système utilisant des composants «sur étagère» afin d'en faire diminuer les coûts de production et de maintenance. Le premier élément étudié était le générateur de signaux du radar. Pour mesurer la vitesse du courant et son orientation le système WERA émet, par le biais de 4 antennes, un chirp en fréquence qui est renvoyé vers les 16 antennes de réceptions par les vagues. Nous avons étudié la possibilité d'interfacer le composant chargé de la production du signal par une liaison série RS232. Le deuxième élément étudié était le système de numérisation du signal. Le système de réception réalise une démodulation complexe des signaux provenant des 16 antennes de réception, et produit 16 voies réelles et 16 voies imaginaires. La conversion de ces signaux est réalisée par 32 convertisseurs analogique/numérique. Les 32 convertisseurs ont un coût en place et en prix. Pour diminuer ce coût, nous avons étudié la possibilité de remplacer le système d'acquisition deux cartes National Instruments 6220 de 16 voies chacune intégrées à un PC. Les tests en laboratoire du module «générateur de chirps» sont concluants. Les tests des cartes NI-6220, effectués directement sur le système WERA de la pointe de Garchine à Porspoder, sont eux aussi concluants. Abstract. The purpose of this study is to develop a next generation acquisition system for an HF-radar based surface currents measurement system. The radar system considered is the WERA (Wellen Radar) system, developed by the university of Hamburg in Germany, and marketed by the ''Helzel Messtechnik'' company. The particular aim of this study was to assess the possibility of using "off-the-shelf" components in order to decrease production and maintenance costs. The first element studied was the radar signal generator. To measure current speed the system WERA emits, through 4 antennas, a frequency chirp that is returned to the 16 reception antenna by the surface waves in the observation area. We studied the possibility of interfacing the component responsible of the signal generation by an RS232 serial link. The second element studied was the signal digitization system. The receiving system performs a complex demodulation of the signals from the 16 receiving antennas, and produces 16 real parts channels and 16 imaginary parts channels. The digitization of these signals is presently performed by 32 analog to digital converters. These 32 converters have a cost in place and price. To reduce this cost, we studied the possibility of replacing the present digitization system by two National Instruments 6220 boards of 16 channels each integrated to a PC. The laboratory tests on the chirps generator module are conclusive. The tests on the NI-6220 boards, performed directly on the WERA system of the Garchine site, are also conclusive. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

4 Sommaire Résumé....3 Abstract....3 Planning....6 I/ Introduction....7 II/ Présentation des entreprises ) ACTIMAR:...7 2) Laboratoire de Physique des Océans (LPO):...8 III/ Les radars HF ) Effet Doppler ) Coastal radar (CODAR) ) Wellen radar (WERA) ) Avantages et Inconvénients du CODAR et du WERA IV/ Le WERA ) Placement du réseau WERA a) Détail des caractéristiques du système WERA ) Le Chirp ) Principe de fonctionnement du WERA ) Résultats obtenus V/ La plateforme actuelle ) Principe de fonctionnement a) Gestion et contrôle:...16 b) Acquisition:...16 c) Emission:...16 d) Réception:...16 VI/ La nouvelle plateforme ) Les éléments modifiés ) Principe de fonctionnement a) Gestion et contrôle:...18 b) Acquisition:...18 c) Emission:...18 d) Réception:...18 e) détails de l'émission VII/ Le système d'acquisition ) Cartes d'acquisitions NI a) Cartes convertisseur analogique/numérique...20 b) Borniers de liaisons ) Algorithme du PC d'acquisition a) Création des «task handle»...22 b) Création du «header»...22 c) Paramétrage des cartes NIDAQmx...22 d) Acquisition...22 e) Enregistrement du fichier.raw f) Exemple de header...23 VIII/ Le générateur de chirp ) Les détails de conceptions a) Alimentation:...24 b) Adaptation de niveaux:...25 c) Contrôle:...25 Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

5 d) Trigger:...26 e) Horloge:...26 f) Générateur de chirps:...27 g) Isolement et filtrage: ) Algorithme du PIC18F a) Initialisation...29 b) Lecture du port série RS c) Programmation des registres...29 d) Mise en route de l'horloge...29 e) Trigger en externe...29 f) Génération d'un trigger de démarrage...30 g) Trigger en interne...30 h) Réalisation de n chirps...30 i) Gestion de l'interruption...30 j) Chirp pairs et impairs ) Réalisation de la carte du «générateur de chirp» a) PCB de la carte...31 b) Implantation des composants de la carte...31 IX/ Essais sur le terrain ) Site de Garchine ) Résultats X/ Conclusion Annexes Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

6 Planning. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

7 I/ Introduction. Une technique de plus en plus répandue pour l'observation à buts scientifiques ou opérationnels des courants côtier est l'utilisation de systèmes de mesure par radars Hautes Fréquences (HF). Ces observations et mesures radars servent de base pour élaborer les cartes des courants océaniques de surface. Ce projet consiste en la réalisation d'un système d'acquisition de nouvelle génération pour un système de mesure par radar HF des courants océaniques de surface. Ce projet est réalisé avec l'entreprise ACTIMAR dans les locaux du Laboratoire de Physique des Océans (LPO) au sein de l'institut Français de Recherche pour l'exploitation de la MER (IFREMER). ACTIMAR exploite deux systèmes WERA du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) sur le site de Garchine à Pospoder et de Brézellec à Cleden-Cap-Sizun. II/ Présentation des entreprises. 1) ACTIMAR: Illustration 1: Logo ACTIMAR. Parmi ses nombreux projets on peut citer: ACTIMAR est une entreprise Brestoise spécialisée dans l'élaboration de systèmes opérationnels d'analyse et de prévision en océanographie. Prévision opérationnelle quotidienne de la structure thermique des couches superficielles océaniques. Prévision de la marée interne dans le Golfe de Gascogne et d autres zones maritimes. Prévision des états de mer côtiers, sur la base des états de mer au large. Modèle de dérive de nappes de surface pouvant être activé très rapidement sur n'importe quelle zone maritime. Modèle de dérive d objets (bateaux, containeurs, ) Mise en place d'une chaîne opérationnelle de restitution de la température de surface de la mer sur l'ensemble de l'océan Atlantique quatre fois par jour. Développement d un centre d océanographie opérationnelle côtière destiné aux professionnels (pêche, aquaculture, navigation, surveillance maritime, risques de pollution et d érosion littorale, etc.) et aux autres usagers de la mer (plaisance, pêche de loisir, tourisme, surf, etc.) Mesure des courants de surface à l aide de système radar VHF ou HF permettant la fourniture du champ de courants en temps quasi-réel sur des portées de 25 km à 100 km. ACTIMAR a notamment été chargé par le SHOM de l'installation, l'exploitation et la maintenance des deux radars WERA installés sur les sites de Garchine et Brézellec (Finistère). Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

8 2) Laboratoire de Physique des Océans (LPO): Le Laboratoire de Physique des Océans (LPO) est une Unité Mixte de Illustration 2: Logo de l'ifremer recherche placée sous la tutelle du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l Institut Français de Recherche pour l'exploitation de la MER (Ifremer), de l Institut de Recherche pour le Développement (IRD) et de l Université de Bretagne Occidentale (UBO). Le LPO a été créé le 1er janvier Il est un des sept laboratoires qui constituent l Institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM). Le LPO est localisé sur deux sites : le Centre Ifremer de Brest et l UFR Sciences de l'université de Bretagne Occidentale. Le personnel du LPO se répartit entre une trentaine de chercheurs, une vingtaine d ingénieur, techniciens et administratif et une vingtaine de doctorants, post-doc et CDD. En tant qu unité de recherche, le LPO Illustration 3: Courantomètre RCM9 développe et participe à des programmes de recherche en océanographie qui contribuent au développement des connaissances sur la dynamique des océans à différentes échelles de temps et d'espace et qui étudient les relations de l'océan avec d autres compartiments du système terrestre comme l atmosphère, les glaces et les organismes vivants. Le laboratoire possède des compétences et des moyens uniques en France pour la réalisation de campagnes d'océanographie physique. Le laboratoire valorise ses travaux de recherche à travers sa contribution aux projets d océanographie opérationnelle française, ses liens avec les entreprises et ses travaux d expertise. Illustration 4: Courantomètre RCM7 Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

9 III/ Les radars HF. Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, etc. Un émetteur envoie des ondes radio, qui sont réfléchies par la cible et détectées par un récepteur, souvent situé au même endroit que l'émetteur. La position est estimée grâce au temps de retour du signal et la vitesse est mesurée à partir du changement de fréquence du signal par effet Doppler. Le radar est utilisé dans de nombreux contextes : en météorologie, pour le contrôle du trafic aérien, pour la surveillance du trafic routier, par les militaires, en astronautique, etc. Le mot lui même est un néologisme provenant de l'acronyme anglais : RAdio Detection And Ranging, que l'on peut traduire par «détection et estimation de la distance par ondes radio» ou plus simplement «radiorepérage». Une des applications des radars est de permettre la mesure des courants océaniques de surface, en exploitant le décalage Doppler du signal émis lors de sa réflexion sur les vagues. Actuellement, les deux systèmes de radar permettant des mesures océanographiques les plus répandus sont le CODAR (COastal radar), produit aux Etats-Unis et le WERA (WEllen Radar), produit en Allemagne. Ces deux systèmes exploitent la propagation des ondes électro-magnétiques piégées en surface (ondes de sol), dans la bande HF, qui permet une grande portée. 1) Effet Doppler. L'effet Doppler est le décalage de fréquence d'une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l'émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Si on désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d'effet Doppler, on réserve le terme d effet Doppler-Fizeau aux ondes lumineuses. Auto en mouvement 2 Auto à l'arrêt 1 Par exemple: En haut, la voiture est immobile par rapport à l'air. Les ondes sont parfaitement concentriques. Que vous soyez à gauche ou à droite de la voiture, vous percevez la même fréquence. En bas, la voiture roule rapidement vers la droite. Les ondes ne sont plus centrées sur le même point, car la source se déplace progressivement vers la droite. L'effet Doppler est ressenti lorsque que vous voyez passer une auto rapide devant vous. Lorsqu'elle se rapproche, les ondes sonores sont comprimées(1), et lorsqu'elle s'éloigne, les ondes sont étirées(2). Cela s'entend car à l'approche le son est plus aigu que lorsqu'elle s'éloigne. Les ondes de l'écho subissent le même effet. En fonction de l'intensité de ce décalage spectral, il est possible d'en déduire la vitesse. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

10 2) Coastal radar (CODAR). Illustration 5: Antennes CODAR. Le système de radar HF CODAR est utilisé pour mesurer les courants de surfaces et est développé principalement aux Etat-Unis. Un émetteur, constitué d'une antenne, envoie une fréquence radio vers la surface de l'océan, une partie de cette onde radio est réfléchie par les vagues et revient vers l'antenne de réception. En utilisant les principes de l'effet Doppler, le CODAR est capable de donner l'amplitude du courant de surface projeté sur la direction radiale. La résolution en azimuth repose sur le principe du «Direction Finding». Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

11 3) Wellen radar (WERA). Illustration 6: Les 16 antennes de réceptions du WERA. Pointe de Brézellec commune de Cleden-Cap-Sizun (Finistère). Le système de radar WERA a été développé sous l'impulsion du Dr Klaus- Werner GURGEL par l'université de Hambourg en Allemagne en 1996, et industrialisé par l'entreprise «Helzel Messtechnik», dirigée par Thomas HELZEL. Le système WERA fonctionne lui aussi sur le principe de l'effet Doppler (comme tout radar) mais les différences avec le CODAR sont notables. Le CODAR ne possède qu'une antenne d'émission et une antenne de réception, contrairement au WERA qui possède 4 antennes d'émissions et 16 antennes de réceptions (sur le site de Cléden-Cap-Sizun et de Porspoder). La résolution en azimuth du WERA repose sur la méthode plus robuste du «Beam Forming» («formation de voie»). Le plus petit réseau d'antenne du CODAR lui donne des avantages certains au niveau de son installation et de sa mise en œuvre pratique, mais la fiabilité de ses mesures est moins bonne que celle des mesures du système WERA. 4) Avantages et Inconvénients du CODAR et du WERA. CODAR WERA Avantages Inconvénients Avantages Inconvénients «Boite Noire» Mesure très précises Facilité d'installation Secret sur les détails du système Optimisation et amélioration du système possibles Prend beaucoup de place Gain de place Fiabilité des mesures mal connue Fiabilité des mesures connue et documentée Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

12 Le CODAR est un système beaucoup plus protégé que le WERA. Le constructeur Américain garde les détails de son système pour conserver sa part de marché. Le WERA est donc beaucoup plus approprié pour les chercheurs qui peuvent connaitre en détail le fonctionnement du radar. Avec une simple demande aux concepteurs du système WERA les utilisateurs peuvent obtenir des informations importantes pour leurs mesures et donc mieux les interpréter. IV/ Le WERA. 1) Placement du réseau WERA. Mer Plage 120 Centre de commande 4 antennes d'émissions 16 antennes de récéptions Minimum 100m Environ 140m À 16 MHz Landes Dessin 1: Synoptique du placement des antennes du système WERA Le radar WERA émet au niveau de la mer avec un réseau de 4 antennes disposées en rectangle. Ces antennes émettent une onde radio entre 6 MHz et 30 Mhz, dont le choix résulte d'un compromis portée/résolution. Plus la f'réquence est élevée, plus la résolution spatiale est haute et la portée du radar est étendue. La forme d onde est de type chirp linéaire en fréquence, pour permettre la résolution en distance. La portée est de 50Km à 300Km suivant la longueur d onde et de l'état de la mer. Pour éviter que les antennes de réceptions reçoivent directement le signal des antennes d'émissions il faut absolument que le réseau d'antennes soit parfaitement aligné dans la direction d'un zéro du diagramme d'antenne du réseau d'émission et qu'une distance entre les antennes d'émissions et de réceptions soit respectée. La longueur des différents câbles d'émissions et de réceptions doit être rigoureusement la même pour éviter tout déphasage des signaux. Pour obtenir une mesure des vecteurs courants de surface, des hauteurs de vague et du spectre directionnel il faut combiner deux système WERA. C'est ce que fait ACTIMAR avec les sites de Porspoder et de Cléden-Cap-Sizun. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

13 a) Détail des caractéristiques du système WERA. Illustration 7: Caractéristique détaillées du système WERA. Source Université d'hambourg. 2) Le Chirp. Un chirp (mot d'origine anglais signifiant «gazouillis») est par définition un signal pseudo-périodique modulé en fréquence autour d'une fréquence porteuse et/ou également modulé en amplitude par une enveloppe dont les variations sont lentes par rapport aux oscillations de la phase. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

14 3) Principe de fonctionnement du WERA. On émet un chirp en fréquence entre 2 fréquences préalablement choisies dans une zone de faible encombrement HF pour permettre la mesure du courant de surface. Cette onde part en direction de la mer et est reflétée par les vagues. L'onde reflétée revient vers les antennes de réceptions pour être traitée par le système. Le traitement des antennes de réceptions se fait antenne par antenne. Après filtrage et démodulation on obtient les amplitudes réelles et imaginaires des signaux réfléchis provenant des différentes portes en distance. En étudiant l'évolution temporelle des phases de ces signaux, on mesure la vitesse de déplacement radiale des réflecteurs (vagues). Pour obtenir la vitesse du courant on fait la différence entre la vitesse de phase mesurée des vagues et sa valeur théorique. La différence est attribuée à la vitesse radiale (par rapport au radar) du courant de surface. Pour obtenir la distance on vérifie la différence entre la fréquence émise et la fréquence reçue. Plus cette différence est grande plus la zone mesurée est loin. Chirp Hardware Signal processing Currents waves I I Demodulation Analog to to digital conversion Inter channel Amplitude calibration I I FFT ranging Complex timeseries for for ranges I Inter channel phase calibration I Beam forming direction finding Received signal currents raw data storage Dessin 2: Chaine de traitement des données du WERA. Source:Wellen Radar, a new ground-wave HF radar for ocean remote sensing. Q Q Q Q Q Q Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

15 4) Résultats obtenus. Illustration 10: Courant mesuré par radar WERA: Source ACTIMAR Après démodulation et traitement du signal les données sont stockées sur le PC embarqué du système au format.raw. Ce format d'enregistrement doit être respecté et contient un entête (Header) sur 512 octet où l'on peu connaitre le nombre de chirp, la date, le lieu d'enregistrement, etc. Ces données étant très lourdes, en terme de place sur le disque dur du système, elles sont converties en aux formats.usort et.urfi, moins encombrants. Les données brutes sont conservées et stockées sur un disque dure externe pour archivage, et peuvent être réutilisées si un retraitement ultérieur est nécessaire Les données mesurées par le système WERA sont traitées par des algorithmes mis au point par Klaus-Werner Gurgel, et dont l'enchainement a été défini par ACTIMAR. Les algorithmes transforment les données provenant du radar en données exploitables pour la réalisation de cartes. Les cartes créées peuvent comme sur l'illustration(10) donner la vitesse du courant de surface avec un code de couleurs, et son orientation sous forme de flèche, ou comme sur l'illustration(11) la vitesse du vent et son orientation. Grâce à des liaisons ethernet et internet le personnel d'actimar et du SHOM peut accéder aux données quasiment en temps réel (différé d'environ 20 minutes), pour des applications opérationnelles («Search And Rescue», dérive d'objets ou de nappes de pétrole, etc..) Illustration 11: Vent mesurés par radar WERA: Source ACTIMAR Remarque 1: Plus la résolution spatiale est élevé plus il y a de zones de mesure et donc plus il y a de précision spatiale. Remarque 2: Les cartes illustrées sont fournie à partir de la combinaison des données du site de Porspoder et de Cléden-Cap-Sizun pour avoir accès aux deux composantes x et y de la vitesse. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

16 V/ La plateforme actuelle. 1) Principe de fonctionnement. a) Gestion et contrôle: Actuellement le système possède un PC Unix qui gère l'interface Homme Machine (IHM) et un PC de contrôle radar gère la partie Convertisseur Analogique Numérique (CAN). Ces deux PC dialoguent par ethernet pour se transmettre les informations sur les paramètres de mesures et sur les données. b) Acquisition: Pour que l'émission d'un chirp débute en même temps que l'acquisition des données par le CAN un trigger est présent pour les synchroniser. L'acquisition des signaux est réalisée par 32 CAN en parallèles. Les données acquises sont envoyées au PC de contrôle via un bus CompactPCI (CPCI). c) Emission: Pour émettre des chirps le système utilise un générateur de chirps, Direct Digital Synthesis (DDS), à partir de l'horloge du système. d) Réception: Les signaux reçus passe par des filtres et sont démodulés avec le chirp émis puis envoyés vers les CAN. TX RX RX Internet IHM chirp Liaison ethernet Synchro Emission Démodulation Démodulation Modem PC Unix Filtres Filtres PC de côntrole radar Bus CPCI Adapteur de niveaux TTL Bus propriètaire CAN Dessin 3: Principe de fonctionnement du WERA. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

17 VI/ La nouvelle plateforme. 1) Les éléments modifiés.... Emission Réception Générateur de chirps Filtrage et et démodulation complexe Contrôle de chirps Conversion analogique/numérique et et préprocesseur PC Unix Dessin 4: Eléments modifiés du système WERA Les éléments modifiés sur le système WERA dans le cadre de cette étude, marqués en grisé sur le dessin (4), portent sur l'acquisition des données, le contrôle et la génération des chirps. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

18 2) Principe de fonctionnement. a) Gestion et contrôle: Le nouveau système de gestion fonctionne sur un PC Unix unique qui gère les débuts de chirps et leurs paramètres via un bus série RS232. Ce PC reçoit les données des CAN par un bus Peripheral Component Interconnect (PCI). b) Acquisition: Pour que l'émission d'un chirp débute en même temps que l'acquisition des données par le CAN un trigger est présent pour les synchroniser, comme sur l'ancienne version. Les données sont acquises par deux cartes National Instrument (NI) 6220 branchées sur deux ports PCI du PC Unix. c) Emission: Pour émettre des chirps le système utilise un générateur de chirps Direct Digital Synthesis (DDS), comme sur l'ancienne version, mais de conception différente. Le signal d'horloge doit être fourni par un étalon de fréquence extérieur. Le générateur de chirps est programmé par un microcontrôleur qui est lui même contrôlé par le PC Unix par liaison RS232. Le démarrage des chirps peut être synchronisé au niveau matériel avec des pulses entrants. TX Internet RX RX IHM Bus RS232 chirp Emission Démodulation Démodulation Modem PC Unix Trigger Filtres Filtres CAN Bus PCI Dessin 5: Principe de fonctionnement du nouveau système WERA. d) Réception: Les signaux reçus passent par des filtres et sont démodulés avec le chirp émis puis envoyés vers les CAN. Cette partie du système WERA n'est pas modifiée. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

19 e) détails de l'émission. Le DDS est programmé par bus Serial Peripheral Interface (SPI) grâce à un microcontrôleur de type Peripheral Interface Controller (PIC) lui même contrôlé par le PC Unix via un bus RS232. Le circuit d'horloge n'est pas implanté sur la carte ''générateur de chirps'' ainsi on laisse, à l'utilisateur du système, le libre choix de la source de l'horloge à 10MHz. PC Unix Bus RS232 Bus SPI Contrôle des chirps (PIC18F458) Générateur de chirps (AD9854) Chirp Trigger CAN Horloge Multiplexeur Ajustement de la la puissance Filtres Amplification Dessin 6: Principe de fonctionnement de la nouvelle partie ''générateur de chirps''.. Remarque: La partie adaptation et amplification n'a subi aucune modification. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

20 VII/ Le système d'acquisition. 1) Cartes d'acquisitions NI La gestion de l'acquisition est effectué par le PC Unix via les deux cartes NI Ces cartes sont programmées en C++ avec le compilateur gratuit g++. Les deux cartes d'acquisitions fonctionnent en parallèle avec la même horloge. Les acquisitions du canal 1 de la carte 1 et celles du canal 1 de la carte 2 sont donc effectuées en même temps, le système passe ensuite d'un canal à l'autre. a) Cartes convertisseur analogique/numérique. Illustration 12: Les deux cartes "convertisseur analogique\numérique" Les deux cartes sont reliées, entre elles, par un bus Real-Time System Integration (RTSI) qui permet de transmettre l'horloge d'une carte à l'autre pour les synchroniser. La liaison avec le PC est faite par un bus PCI. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

21 b) Borniers de liaisons. Illustration 13: Les deux bornier de liaisons Les deux borniers de liaisons qui permettent de réaliser la jonction entre les câbles BNC de la sortie des filtres du WERA aux cartes "convertisseur analogique\numérique". Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

22 2) Algorithme du PC d'acquisition. Le programme se déroule comme suit: a) Création des «task handle». Pour fonctionner les cartes d'acquisitions doivent être paramétrées avec des tâches à effectuer (task handle). Pour l'acquisition des signaux il faut créer deux task handle, une pour les signaux réels et une autre pour les signaux imaginaires. b) Création du «header». L'entête (header) doit respecter un formatage précis pour qu'il puisse être utilisé par le système de traitement de fichier existant. Il contient des informations comme la date, l'heure, le nombre d'antennes, le nombre de chirp, le lieu de l'acquisition, etc. c) Paramétrage des cartes NIDAQmx. Le paramétrage des cartes d'acquisition consiste à les synchroniser et de leurs spécifier, la fréquence d'échantillonnage, la fréquence d'horloge, etc. d) Acquisition. A chaque événement, à savoir tout les 1536 échantillons dans notre cas, le programme exécute un événement et stocke les données mesurées dans deux tableaux, un pour l'acquisition des réels et l'autre pour celle des imaginaires. Début Création des ''task handle'' Creation du ''header'' Création du fichier.raw Paramétrage des cartes NI-6220 A chaque événement on acquiert les signaux Mise en attente entre chaque acquisition, tant que le le nombre de chirps n'est pas atteint. Enregistrement du Fichier.RAW Fin Dessin 7: Algorithme du programme d'acquisition Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

23 e) Enregistrement du fichier.raw. Quand le nombre de chirp voulus est atteint le programme enregistre dans le fichier.raw le header suivi par les deux tableaux de données. f) Exemple de header. Illustration 14: Header du 8 mais Dans cet exemple de header ont peut lire le nombre de chirp (2048), la date (8- MAY-09), le site (Garchine), la résolution spatial (1,5km), etc. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

24 VIII/ Le générateur de chirp. La partie «génération de chirps» a été complètement refaite sur une nouvelle base autour d'un microcontrôleur PIC18F458 de Microchip et du DDS AD9854 de Analog Devices. Contrôle de l'horloge Horloge 10MHZ Alimentation Contrôle PIC18F458 Bus SCI Bus SPI Générateur de de chirps AD9854 Isolement et et filtrage Vers Amplification Adaptation de niveaux Bus RS232 vers PC Unix Trigger Dessin 8: Schéma structurel de la carte de génération de chirps 1) Les détails de conceptions. a) Alimentation: L'alimentation à pour source un bloc transformateur secteur qui fournit 5V/1,5A. Cette alimentation est divisée en deux parties. Une partie analogique en 3,3V et une autre numérique aussi en 3,3V. La division des alimentations est due aux contraintes de l'ad9854 qui possède un «module numérique» pouvant perturber son «module analogique». Illustration 15: Alimentation de la carte «générateur de chirps» Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

25 Remarque: l'ad9854 est cadencé à une fréquence de 10MHz en externe mais en interne cette même fréquence est multipliée par 20, soit 200MHz. b) Adaptation de niveaux: Illustration 16: Adaptateur de niveaux RS232 de la carte «générateur de chirps» La liaison entre le bus RS232 et le bus SCI du PIC est réalisée par un composant simple et éprouvé, le ICL3222, qui effectue un changement de niveaux pour correspondre au standard RS V/-10V environ. c) Contrôle: Le PIC18F458 reçoit ses paramètres du PC Unix via la liaison RS232. Il programme ensuite les registre de l'ad9854 par un bus SPI. Il gère aussi le trigger, en interne de l'ad9854 ou provenant de l'extérieur ainsi que le contrôle de l'horloge. Illustration 17: Contrôle de la carte «générateur de chirps» Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

26 Le microcontrôleur PIC offre une simplicité d'implantation et de programmation, de plus il est très bon marché. d) Trigger: La génération de chirp commence avec la réception d'un trigger externe ou la génération d'un trigger de la partie contrôle. Un trigger externe entre par le connecteur BNC PPS tandis qu'un trigger interne sort par la BNC TRIG. Pour pouvoir choisir entre le déclenchement sur un trigger interne ou externe deux portes logiques hautes vitesses, 74HC08, sont utilisées. Le choix d'un mode de fonctionnement ou de l'autre est programmable via le PIC Illustration 18: Sortie trigger interne et externe de la carte «générateur de chirps» e) Horloge: L'horloge est cadencée à 10MHz, elle passe par un récepteur différentiel MC100LVEL16 de ON Semiconductor qui l'envoie à l'ad9854 en différentiel à des niveaux d'amplitudes adaptés. Ce récepteur différentiel peut être commandé par le PIC18F458 via un MAX604 de Maxim, qui commute son alimentation, pour couper ou non l'entrée de l'horloge de l'ad9854. La commutation de l'horloge permet au PIC18F458 de programmer les registres de l'ad9854 avant que celui-ci ne démarre son protocole de génération de signaux par défaut lors de l'initialisation. Illustration 19: Gestion de l'horloge de la carte «générateur de chirps» Le MAX604 est un commutateur ainsi qu'un régulateur d'alimentation. Ces deux fonctions permettent de contrôler et d'alimenter le MC100LVEL16 qui fournit donc une horloge contrôlée de meilleure qualité adaptée à l'ad9854. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

27 f) Générateur de chirps: L'AD9854 reçoit ses paramètres du PIC18F458, à savoir, la fréquence de début de chirp, le temps d'un chirps, la vitesse de la rampe de fréquence, etc. Le début du chirp commence, si le paramétrage est effectué, par un trigger du PIC18F458 ou de l'extérieur sur une entrée de l'ad9854. Celui-ci prend le relais pour générer ses propres trigger en interne. Le temps entre deux triggers en interne correspond au temps de durée d'un chirp, et à chaque trigger interne il prend en compte les nouvelles valeurs de ses registres. L'AD9854 est composé de deux sorties différentielles, phase et quadrature, qui sont utilisées pour la démodulation complexe. L'amplitude des signaux de sortie est de 1V crête à crête centré sur 500mV. Ces valeurs sont fixées par une résistance (ici R19). L'AD9854 est l'évolution du composant actuellement utilisé dans le WERA. Il reprend les principes de base de ses prédécesseurs en améliorant le système avec deux sorties différentielles en phase et en quadrature. Un seul composant génère donc les deux signaux d'oscillateur local nécessaires à la démodulation complexe. De plus lorsque l'ad9854 est programmé en trigger interne il fonctionne en «roue libre», et produit sans intervention extérieure des signaux dont la durée et les dates de début découlent directement du signal d'horloge. Illustration 20: Module de génération des chirps Remarque: La prise en compte des nouveaux paramètres des registres dure 8 cycles de l'horloge interne de l'ad9854 (soit 40ns). Il faut donc en tenir compte pour le paramétrage de la durée d'un chirp car pendant la mise à jour des registres l'ad9854 est muet. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

28 g) Isolement et filtrage: Pour éviter toutes perturbations et risques pour la sortie de l'ad9854 un transformateur d'isolement est présent sur chacune des sorties différentielles. Puis un filtre passe bas à 30MHz réduit les bruits HF. Illustration 21: Sortie de la carte «générateur de chirps» Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

29 2) Algorithme du PIC18F458. Début Le PIC18F458 est juste une interface entre le PC Unix et l'ad9854. Il ne fait donc aucun calculs sur les paramètres des chirps. Sont rôle principal est le transfert des paramètres reçus du PC Unix aux registres de l'ad9854. Ce programme est réalisé en C avec le compilateur HI-TECH. Le programme se déroule comme suit: Initialisation Programmation des registres de l'ad9854 a) Initialisation. Le PIC18F458 s'initialise en programmant ses registres et établissant ainsi ses paramètres d'entrées/sorties, d'interruptions et autres. b) Lecture du port série RS232. Le programme enregistre dans des tableaux les paramètres que lui envoie le PC Unix via le bus RS232. Les donnée enregistrées sont stockées dans la mémoire vive du PIC18F458. c) Programmation des registres. Le PIC18F458 transfère sans aucune modification les paramètres enregistrés vers les registres de l'ad9854. d) Mise en route de l'horloge. Par défaut l'horloge est coupée pour éviter tout démarrage de la configuration par défaut de l'ad9854. Quand les registres sont correctement programmés (notamment le démarrage sur un trigger externe) on peut mettre en route l'horloge. e) Trigger en externe. Le trigger peut être interne ou externe à l'ad9854. Un trigger externe permet de démarrer un chirp lorsque il y a présence d'une impulsion sur une entrée de l'ad9854. Mise en route de l'horloge AD9854 en mode trigger externe Génération d'un trigger de démarrage AD9854 en mode trigger interne Envoi de de la la Programmation du du prochain chirp Tant que le le nombre de de chirps programmé n'est pas réalisé Extinction de l'horloge Fin Dessin 9: Algorithme du programme du PIC18F458 Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

30 f) Génération d'un trigger de démarrage. L'impulsion est générée par le PIC18F458 sur une entrée de l'ad9854 ce qui provoque le démarrage du chirp programmé. Mais l'impulsion de démarrage peut aussi provenir de l'entrée externe PPS. g) Trigger en interne. Le trigger peut être interne ou externe à l'ad9854. Un trigger interne permet à l'ad9854 d'être ''autonome'' sur l'actualisation de ses registres. A chaque impulsion interne l'ad9854 démarre un nouveau chirp suivant sa programmation. Le trigger interne de l'ad9854 est retransmis à une de ses sorties, ce qui permet au PIC18F458 de savoir, grâce à une interruption, le moment ou il doit envoyer une nouvelle configuration des chirps. h) Réalisation de n chirps. Sur chaque impulsion du trigger interne déclenche une interruption du PIC18F458 ce qui provoque l'incrémentation d'une variable qui est comparée au paramètre du nombre de chirp voulu. Tant que la variable n'a pas atteint le bon nombre de chirp le programme boucle. Début Vérification si si le le chirp est paire ou impaire i) Gestion de l'interruption. La routine d'interruption a pour but d'actualiser les registres de l'ad9854 en effectuant une nouvelle programmation de ceux-ci. Lorsqu'une pulsation est présente sur l'entrée interruption du PIC18F458 il arrête sa fonction en cours et part dans une routine d'interruption. A chaque interruption le programme commence par vérifier si le numéro du chirp qui vient d'être effectué est pair ou impair et programme les registres de l'ad9854 en conséquence. Cela permet par exemple d'enchainer des chirps alternativement montants et descendants, ou correspondant à des programmations différentes. Puis il incrémente la variable ce qui permet de la comparer au nombre de chirp voulus. Programmation des registres de l'ad9854 Incrémente le le compteur de chirp Fin Dessin 10: Gestion des interruptions du programme du PIC18F458 j) Chirp pairs et impairs. Fréquence Pour obtenir une suite de chirps sans qu'il y ait de retour brutal à la fréquence d'origine la suite peut être composée de chirps «pairs» et «impairs» qui alternent les fréquences montantes et descendantes. Chirp pair Chirp impair Temps Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

31 3) Réalisation de la carte du «générateur de chirp». a) PCB de la carte. Illustration 22: PCB de la carte «générateur de chirps» Le circuit imprimé est réalisé avec le logiciel ARES de Proteus. Le placement des composants est crucial pour ce circuit imprimé car il fonctionne à des fréquences élevées. Il faut donc isoler le plus possible la partie numérique et analogique pour éviter les perturbations. Des plans de masse sur le dessus et le dessous de la carte reliés par des vias réduisent ces perturbations. La gravure de la carte a été réalisée par une personne externe au LPO puis après réception la carte a été soudée à la main. b) Implantation des composants de la carte. Illustration 23: Implantation de la carte «générateur de chirps» Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

32 IX/ Essais sur le terrain. 1) Site de Garchine. Les essais ont été réalisés sur le site de Porspoder à la pointe de Garchine dans le Finistère nord. Illustration 24: Pointe de Garchine. Source Google Maps. L'acquisition a été faite sur les 16 antennes de réception du site (soit un total de 32 voies réelles/imaginaires). Les essais ont duré environ une heure. Pendant cette heure deux fichier.raw ont notamment été générés sur 2048 chirps soit, à 0,26s le chirp, près de 9 minutes. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

33 2) Résultats. L'illustration(25) représente le spectre en fréquence des données brutes ainsi que des données ré-échantillonnées acquises pour un chirp lors des essais sur le site de Garchine. Le théorème de SHANNON dit que la fréquence d'échantillonnage doit être au moins deux fois supérieure aux fréquences d'entrées. L'échantillonnage est réalisé à 5907Hz sur le système WERA, l'entrée de la chaine d'acquisition est donc filtrée pour ne pas laisser passer les fréquences supérieurs à 3kHz. Illustration 25: Spectre du canal 2 On retrouve la forme de la fonction de transfert du filtre sur le spectre de part et d'autre du 0 HZ, il est de type ''passe bas''. La portion utile dans le traitement des données se trouve près de 0Hz, dans la zone des fréquences négatives. L'illustration(26) montre les raies de Bragg mesurées lors des essais. Ces raies représentent la fréquence de variation en fonction du temps (en abscisse) des amplitudes complexes des signaux en provenance des différentes portes en distance (en ordonnée). Les raies verticales situées aux alentours de +/ Hz sont les raies dues au mouvement des vagues. Illustration 26: Raies de Bragg du canal 2 Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

34 La fréquence de Bragg est donnée par la formule: (avec l'accélération de la pesanteur g = 9,81 m.s -2 Λ0 représente la longueurs d'onde de la fréquence de fonctionnement est donnée par la formule: (avec la vitesse de la lumière = 300 x10e6 m/s) Pour nos mesures la fréquence de fonctionnement du système WERA est de 12,503MHz on obtient donc pour Λ0 une longueur d'onde de 24 mètres: La fréquence de Bragg résultante est de 0,361Hz: radial. +/- 0,361Hz correspond aux fréquences mesurées en l'absence de courant Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

35 La figure(28) présente les résultats obtenus le 28 mai 2009 par le système WERA complet et la figure(29) ceux du système employant les cartes National Instrument. Les données WERA ont été acquises environ 40 minutes avant les données utilisant les cartes National Instruments. Clairement, les données ont une allure assez similaire. Les structures de courant descendant au Nord d'ouessant sont visibles, de même qu'une recirculation en aval du chenal du Four. La couverture des mesures obtenues avec les cartes National Instruments est nettement réduite. Cela est expliqué par le fait que la chaine de traitement WERA comporte un algorithme de correction de l'effet des interférences radio. Ces interférences sont des sources lointaines qui se propagent jusqu'à nous en rebondissant sur la ionosphère, et qui sont donc particulièrement intenses en été vers midi, heure à la quelle les mesures ont été réalisées. Faute de temps, et du fait d'un bug informatique, nous ne sommes parvenues à traiter les données acquises avec les cartes National Instruments qu'avec une ancienne version de la chaine de traitement WERA, qui ne comporte pas cet algorithme de correction. Des comparaisons plus poussées incluant cette étape devront être effectuées pour qu'il soit possible de conclure que le système d'acquisition utilisant des cartes National Instruments fournit des données quantitativement aussi précises que le système actuel. Illustration 28: Acquisition des données avec le système WERA (AVEC filtre RFI) Illustration 27: Acquisition des données avec le nouveau système (SANS filtre RFI) Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

36 X/ Conclusion. L'entreprise: Ce stage en entreprise m'a permis de découvrir et de comprendre les instruments de mesures océanographiques. L'intégration au sein du LPO a été très aisée. Le personnel, agents et chercheurs, répond toujours favorablement aux différentes sollicitations, ce qui aide énormément à la progression du projet de stage. Le projet: Le fonctionnement du prototype de générateur de signaux sur cartes à trous est satisfaisant. Des essais sur la carte définitive devront être réalisés pour évaluer la pureté des signaux produits et leur conformité en termes de durée, de fréquence, etc. Les essais ont montré la faisabilité pratique d'une acquisition au moyen de cartes National Instruments. Il reste à réaliser des comparaisons quantitatives de la précision des données océanographiques produites, mais les résultats des premiers tests sont encourageants. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/

37 Annexes. Le CD-ROM ci-joint contient les annexes, le rapport, les sources de programmations ainsi que les différentes documentations techniques. Système d'acquisition pour la mesure des courants de surfaces. 10/06/