Scans 3D et modèles CAO pour la conception de supports d’antenne sur avions pour les systèmes SAR

Source: DLR

Le Centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale se fie aux services de mesure de Creaform

L’Institut de technologie haute fréquence et des systèmes radars du Centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale (DLR) étudie les systèmes radars et leurs paramètres pour les futures missions d’observation par satellite. Pour ce faire, des essais préliminaires sont réalisés avec des systèmes montés sur des avions, qui ont un degré élevé de flexibilité. Pour les essais préliminaires, les systèmes radars sont installés sur deux avions à turbopropulsion Dornier Do 228. Les antennes nécessaires sont conçues, testées et intégrées au système de l’avion au sein même de l’Institut. En ce qui concerne l’intégration, des structures de support spéciales sont requises afin de pouvoir monter les antennes sur le fuselage de l’avion. À cette fin, des données de contour exactes (modèles CAO) de diverses zones des avions sont nécessaires pour la construction de ces structures porteuses ou supports.

Dans le cadre d’un nouveau projet d’observation terrestre avec deux satellites radar dans la gamme de fréquences de la bande L, un système comparable doit, au préalable, être installé sur deux avions. L’observation de la surface terrestre au moyen de deux plateformes de transport simultanément receveuses permet de développer de nombreux nouveaux produits. Par produits, on sous-entend l’évaluation des données radar enregistrées selon des paramètres spécifiques, des modèles, des cartes, etc.  Il s’agit entre autres, en plus du modèle de terrain 3D classique, d’informations sur la végétation, comme le peuplement ou la déforestation, l’état des glaciers, comme les vitesses d’écoulement et les changements temporaires de volume, le soulèvement et l’affaissement du sol dus au volcanisme, aux tremblements de terre ou à l’exploitation minière, pour ne citer que quelques différentes applications.

La télédétection par radar est principalement basée sur le principe du SAR (Synthetic Aperture Radar). Ici, une très haute résolution spatiale dans la direction du mouvement est obtenue par le mouvement du système radar. Ce principe est indépendant de la distance et, en conséquence, permet d’obtenir des images à haute résolution de la surface terrestre depuis l’espace avec une très grande exactitude. Dans le cadre de la mission TanDEM-X, le DLR exploite à cette fin les satellites radar allemands TerraSAR-X et TanDEM-X. Les recherches actuelles portent sur les systèmes qui pourraient succéder à la constellation actuelle des deux satellites en bande X. Cependant, à des fréquences plus basses, comme dans la bande L, les distances entre les satellites deviennent considérablement plus importantes et posent des défis supplémentaires lors du traitement des données ainsi que dans les algorithmes et modèles utilisés pour extraire les paramètres des données radar brutes. Les nouveaux systèmes installés sur les deux avions de recherche Dornier du DLR sont utilisés afin de fournir ces données radar, bien avant un éventuel lancement de satellite. Ce sont là les principaux domaines de l’Institut DLR de la technologie haute fréquence et des systèmes radars.

Tâche : création de scans 3D et de modèles CAO de diverses zones de l’avion.

Afin de pouvoir concevoir l’espace disponible pour l’installation des supports d’antenne sur et dans l’avion, des données géométriques très précises sont requises. Dans ce cas, les structures sont montées sur les glissières des sièges à l’intérieur de l’avion et font saillie à travers un conduit dans le plancher sous le fuselage de l’avion. L’antenne est montée à cet endroit dans un carénage aérodynamique. Il peut, dans une certaine mesure, être monté en tournant autour de l’axe vertical.

Pour ce projet, le conduit et les zones qui l’entourent – le plancher à l’intérieur de la cabine et la zone située sous le fuselage de l’avion – présentaient un intérêt particulier. Pour réaliser le projet, des modèles CAO exacts des zones de deux avions ont été nécessaires pour la construction de ces structures porteuses ou supports. Dans un premier temps, il a donc fallu créer des scans 3D, à partir desquels les modèles CAO ont ensuite pu être générés. Ils servent de base à la construction des supports d’antenne des deux Do 228 (avions de recherche appartenant au DLR) afin de pouvoir effectuer des enregistrements SAR dans la gamme des basses fréquences (bande L) en vol de formation. À cette fin, des antennes sont installées sous le fuselage de l’avion, qui émettent et reçoivent les signaux selon un angle particulier par rapport au sol.

Équipement de métrologie et de scan utilisés

Pour les scans de surface et de volume, le DLR a fait appel à de l’équipement de métrologie et au service d’ingénierie de Creaform.

En raison de l’exactitude requise, du niveau de détail souhaité et de l’accessibilité des zones, les systèmes de scan de Creaform convenaient parfaitement à ce projet grâce à leur portabilité, leur vitesse et leur exactitude. Les scanners 3D MetraSCAN 3D et HandySCAN 3D ainsi que le système de photogrammétrie MaxSHOT 3D ont été utilisés. Deux avions ont été scannés dans le cadre des opérations de vol de recherche du DLR sur les sites d’Oberpfaffenhofen et de Braunschweig.

Le modèle de positionnement complet de l’avion (zone intérieure et extérieure) a été enregistré à l’aide de MaxSHOT 3D. Ce système de photogrammétrie permet d’accroître l’exactitude de la mesure complète et de combiner les dimensions de la zone extérieure avec celles de le la zone intérieure. Le scanner MetraSCAN 3D a été utilisé afin de capturer les zones extérieures importantes de l’avion, comme le fuselage, alors que le scanner HandySCAN 3D a été utilisé afin de capturer les détails et les zones difficiles à atteindre à l’intérieur de l’avion, comme la trappe du plancher.

Le post-traitement des scans a été effectué avec le logiciel VXmodel : tout d’abord, le scan a été corrigé, aligné, et les surfaces inutiles ont été supprimées. Puis, le scan a été préparé pour la rétro-conception (Rétro-ingénierie) dans CATIA. Pour chaque avion, les mesures sur site (y compris l’installation et le démontage) ont pris environ 4 à 5 heures, le post-traitement environ 2 à 3 heures et la rétro-conception presque deux semaines.

Photo ci-dessous : scan de la trappe de plancher d’un avion et modèle CAO construit subséquemment.

Une première esquisse de la construction de l’un des deux supports d’antenne, intégrés dans l’actuel scan 3D de la cabine de l’avion, est présentée dans l’image ci-dessous. On peut tenir compte, au niveau des données, des positions de rivets individuels, des glissières des sièges à l’intérieur ou des joints de la tôle sur le fuselage de l’avion.

Conclusion et retour sur investissement

Markus Limbach, Ing. Dipl. de l’Institut DLR de la technologie haute fréquence et des systèmes radars, semble très satisfait : « Le matériel utilisé, ainsi que les vastes possibilités de traitement des données et l’expertise de Creaform, semblaient optimaux pour notre tâche. De moins bonnes expériences ont montré que tous les fournisseurs ne sont pas en mesure d’offrir le même niveau de qualité. »

« En ce qui concerne le retour sur investissement que nous avons généré en faisant appel à l’équipe du service de métrologie de Creaform, nous nous attendons à optimiser notre temps de travail d’environ 6 à 8 semaines. Nous sommes complètement satisfaits. »

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À propos du Centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale (DLR) – de l’Institut de la technologie haute fréquence et des systèmes radars

Le Centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale (DLR) est le centre de recherche de la République fédérale d’Allemagne pour l’aéronautique et l’aérospatiale. Il mène des activités de recherche et développement dans les domaines de l’aéronautique, de l’aérospatiale, de l’énergie et des transports, de la sécurité et de la numérisation. Le DLR, dont le siège social est à Cologne, est représenté sur un total de 30 sites en Allemagne.  Il utilise son savoir-faire afin de concevoir des solutions qui répondent aux enjeux mondiaux et des technologies pour un avenir durable. Le DLR contribue, ainsi, à renforcer la position de l’Allemagne en matière de science et d’économie.

Sur le site d’Oberpfaffenhofen, l’Institut de technologie haute fréquence et des systèmes radars développe des capteurs, des algorithmes et des applications innovants pour la télédétection par satellite radar au sol et dans l’air. Pour la mission allemande de satellite radar TanDEM-X et les missions futures, il prépare les caractéristiques du système par des expériences sur avion. L’Institut DLR de la technologie haute fréquence et des systèmes radars a également développé et exploite avec succès les systèmes radars montés sur des avions F-SAR et DBF-SAR. Fort de plus de 30 ans d’expérience, il est l’une des principales institutions mondiales dans le domaine de la technologie des capteurs et, notamment, du traitement des données et des algorithmes pour le développement de produits.

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