FR2830332A1

FR2830332A1 - Measurement of all kinds of precipitation using a rain-meter that detects the sound or precipitation incident on a passive surface and transmits a measurement signal to a central data acquisition unit

Info

Publication number: FR2830332A1
Application number: FR0112697A
Authority: FR
Inventors: Cedric Gaucherel
Original assignee: GAUCHEREL SANDRINE
Current assignee: GAUCHEREL SANDRINE
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2003-04-04

Abstract

Method for measuring precipitation is based on measuring the sound produced by the precipitation as it reaches the ground. The method is based on detection, by a receiving instrument, of sound waves propagating from passive objects exposed to precipitation and placed at a distance from the objects. Measurement signals are then transmitted from the detectors to a central data acquisition unit. The invention also relates to a corresponding device.

Description

La présente invention concerne un instrument météorologique pour mesurer les précipitations ou d'autres types d'hydrométéores (neige, grêle...), sur la Terre ferme ou sur une surface d'eau libre. Le dispositif selon l'invention exploite le bruit spécifique que fait la pluie en tombant au sol pour la quantifier. Ce dernier est particulièrement adapté aux situations géographiques reculées et à une instrumentation pour laquelle l'entretien est limité. The present invention relates to a meteorological instrument for measuring precipitation or other types of hydrometeors (snow, hail ...), on dry land or on a surface of open water. The device according to the invention exploits the specific noise made by rain when falling to the ground to quantify it. The latter is particularly suited to remote geographic situations and to instrumentation for which maintenance is limited.

La mesure pluviométrique est l'une des plus délicates en météorologie à cause des fortes variabilités spatiales et temporelles de la perturbation qui précipite. La mesure des précipitations est traditionnellement effectuée au sol grâce à des pluviomètres (de type Hellmann par exemple) et des pluviographes de différentes conceptions : à siphon, à pesée, à augets basculeurs ou encore optique. Ces instruments sont complétés lorsque c'est possible par divers types de radars et images satellitales. Tous les instruments existants à ce jour offrent l'inconvénient de n'enregistrer que des moyennes (des intégrales ) dans le temps ou l'espace. Cette notion d'intégration est représentée sur la figure 1, empruntée à P. Hubert de L'GIRD (ex. ORSTOM). Cette propriété oblige, pour estimer efficacement une averse, à coupler les systèmes qui intègrent dans le temps (en pointillés sur la Fig. 1) et ceux qui intègrent dans l'espace (en tirets sur la Fig. 1). L'invention détaillée ci-après remédie à ce défaut par une mesure instantanée de la pluie sur une surface étendue (en trait plein sur la Fig. 1). D'autres inconvénients sont inhérents aux instruments de mesure pluviométrique existants. En particulier, chacun des instruments de mesure au sol précités nécessite un entretien régulier (pour relever les mesures, nettoyer les réceptacles, vérifier les mécanismes...) que ne permettent pas des installations en région reculées. Rainfall measurement is one of the most difficult in meteorology because of the strong spatial and temporal variability of the precipitating disturbance. The measurement of precipitation is traditionally carried out on the ground thanks to rain gauges (of the Hellmann type for example) and rain gauges of different designs: siphon, weighing, tilting buckets or optical. These instruments are supplemented when possible by various types of radars and satellite images. All the instruments existing to date offer the disadvantage of recording only averages (integrals) in time or space. This notion of integration is represented in Figure 1, borrowed from P. Hubert de L'GIRD (ex. ORSTOM). This property requires, to effectively estimate a downpour, to couple the systems which integrate in time (dotted lines in Fig. 1) and those which integrate in space (in dashes in Fig. 1). The invention detailed below remedies this defect by instantaneous measurement of the rain over a large area (in solid lines in Fig. 1). Other drawbacks are inherent in existing rainfall measurement instruments. In particular, each of the aforementioned ground measurement instruments requires regular maintenance (to take the measurements, clean the receptacles, check the mechanisms, etc.) that installations in remote areas do not allow.

Ces contraintes sont remplacées par le coût et la complexité des pluviographe optique et radar. These constraints are replaced by the cost and complexity of the optical and radar rain gauges.

L'invention détaillée ci-après, dépourvue de réceptacle et de mécanismes et à l'électronique réduite, remédie également à ces défauts. The invention detailed below, devoid of receptacle and mechanisms and with reduced electronics, also remedies these defects.

Une telle mesure étendue et instantanée est rendue possible par l'exploitation du son de la pluie sur le sol, quelle que soit sa nature. Le bruit des gouttes de pluie qui frappent le sol, l'eau libre, la canopée ou toute autre couverture terrestre uniforme, possède une signature spectrale unique et reconnaissable, permettant d'estimer la distribution de la taille des gouttes, puis par voie de conséquence, de quantifier la pluie. Une batterie de microphones unidirectionnels permettra d'enregistrer le son ambiant à différents endroits autour de l'instrument. Aucune fréquence sonore n'est exclue a priori dans ce dispositif. Such an extended and instantaneous measurement is made possible by the exploitation of the sound of rain on the ground, whatever its nature. The sound of raindrops hitting the ground, open water, canopy or any other uniform ground cover, has a unique and recognizable spectral signature, making it possible to estimate the distribution of the size of the drops, and consequently , to quantify the rain. A battery of unidirectional microphones will record ambient sound at different locations around the instrument. No sound frequency is excluded a priori in this device.

L'idée d'utiliser le bruit que produit la pluie pour la quantifier est exploitée depuis peu en milieu océanique, également difficile d'accès (J. A. Nystuen, Université de Washington). The idea of using the noise produced by rain to quantify it has recently been exploited in an ocean environment, which is also difficult to access (J. A. Nystuen, University of Washington).

Contrairement à l'invention, ce travail concerne une mesure sous-marine de ce bruit, qui plus est, Unlike the invention, this work concerns an underwater measurement of this noise, which is moreover,

très localisée. Un brevet américain propose d'exploiter le son pour quantifier l'eau collectée par un réservoir et ne résout, pas plus que l'invention précédente, la question de l'intégration des mesures (numéro de publication : n US 5125268). Enfin, des anémomètres et thermomètres ultrasoniques existent déjà mais travaillent sur les mouvements des masses d'air contrairement à la présente invention et ne mesurent pas les mêmes paramètres. very localized. An American patent proposes to use sound to quantify the water collected by a reservoir and does not resolve, any more than the previous invention, the question of the integration of measurements (publication number: n US 5125268). Finally, anemometers and ultrasonic thermometers already exist but work on the movements of air masses unlike the present invention and do not measure the same parameters.

Le dispositif de l'invention comporte selon une première caractéristique un boîtier abritant 4 microphones unidirectionnels (réglables ou non en ouverture) orientés par exemple vers les points cardinaux. Ces micro-phones, les systèmes de réception et d'acquisition ne constituent pas l'originalité de l'invention et ne seront donc pas décrits ici. Ils seront empruntés au marché existant et adaptés aux besoins de l'utilisateur et aux contraintes environnementales. The device of the invention comprises, according to a first characteristic, a housing housing 4 unidirectional microphones (adjustable or not in opening) oriented for example towards the cardinal points. These micro-phones, the reception and acquisition systems do not constitute the originality of the invention and will therefore not be described here. They will be borrowed from the existing market and adapted to the needs of the user and to environmental constraints.

Les microphones enregistrent simultanément, avec les fréquence et durée souhaitées, les bruits ambiants dans les directions qu'ils pointent. Considérons une averse dans sa durée : - Phase 1 : Avant d'atteindre le dispositif de l'invention la pluie émettra un bruit caractéristique qui pourra être entendu à grande distance selon les caractéristiques des microphones, le revêtement du sol, la taille des gouttes du front pluvieux, le vent ou d'autres bruits ambiants (naturels, biologiques ou anthropiques)... Ces sons ne proviendront que de certaines directions qui pourront être estimées par une interpolation des intensités sonores enregistrées par les différents microphones. The microphones simultaneously record ambient noises in the directions they point with the desired frequency and duration. Consider a downpour in its duration: - Phase 1: Before reaching the device of the invention, the rain will emit a characteristic noise which can be heard at a great distance according to the characteristics of the microphones, the coating of the ground, the size of the drops of the rainy front, wind or other ambient noise (natural, biological or anthropogenic) ... These sounds will only come from certain directions which can be estimated by interpolating the sound intensities recorded by the different microphones.

- Phase 2 : A mesure que la pluie se rapprochera des microphones, son spectre sonore s'intensifiera et se modifiera. Lorsque la perturbation est centrée sur l'instrument, les 4 microphones enregistrent approximativement les mêmes spectres sonores, mais potentiellement aussi ses éventuelles variations spatiales. - Phase 2: As the rain gets closer to the microphones, its sound spectrum will intensify and change. When the disturbance is centered on the instrument, the 4 microphones record approximately the same sound spectra, but potentially also its possible spatial variations.

- Phase 3 : La perturbation s'éloignera ensuite progressivement de l'instrument qui enregistrera à chaque instant les variations à l'instar de la phase 1. - Phase 3: The disturbance will then gradually move away from the instrument which will record variations at all times like phase 1.

Les perturbations et causes d'erreur, si elles subsistent pour la présente invention, seront de l'ordre de l'identification et l'étalonnage des sons dus aux hydrométéores. Un traitement fin de ces données (non détaillé ici) permettra de décomposer chaque étape et d'en déduire par inversion les tailles des gouttes et leur densité dans un premier temps, la hauteur d'eau reçue et ses variations spatiales dans un second temps. La mesure sera sans doute facilitée par certaines surfaces réceptrices (la canopée, certains sols...) que l'on veillera à choisir et garder hautement uniformes dans le rayon d'action du dispositif. L'invention présente en outre l'avantage d'éliminer les frictions (statiques ou dynamiques) qui dégrade la précision des mesures dans la plupart des dispositifs existants. The disturbances and causes of error, if they remain for the present invention, will be of the order of identification and calibration of sounds due to hydrometeors. A fine processing of these data (not detailed here) will break down each step and deduce by inversion the sizes of the drops and their density in a first step, the height of water received and its spatial variations in a second step. The measurement will undoubtedly be facilitated by certain receiving surfaces (the canopy, certain grounds ...) which one will take care to choose and keep highly uniform in the radius of action of the device. The invention also has the advantage of eliminating friction (static or dynamic) which degrades the accuracy of measurements in most existing devices.

En revanche, la même mesure pâtira de bruits parasites tels que ceux biologiques (créés par les animaux et les végétaux) ou anthropiques (créés par l'Homme) qui seront pourtant aisés à dissocier. Ces derniers sont en effet généralement intermittents et avec un spectre sonore facilement reconnaissable (au moins dans les régions reculées et peu peuplées concernées par l'invention). Plus gênant sera sans doute le vent. Sa signature sonore devrait pourtant rester assez différente de celle de la plupart des gouttes de pluie (quelle que soit la surface réceptrice), au point que l'on pourra envisager d'estimer également et indirectement la vitesse des vents à l'aide de l'invention. Ainsi, tous les éléments du paysage de l'invention pourront bénéficier, avec des précisions variables, de ses mesures pour peu que la connaissance de leurs distributions spatiotemporelles soient intéressantes : les hydrométéores, le vent (par le bruit qu'il créé dans le paysage), les animaux (oiseaux, grenouilles...), les végétaux (graines, fruits...), 1'Homme... On the other hand, the same measure will suffer from parasitic noises such as those biological (created by animals and plants) or anthropic (created by Man) which will however be easy to dissociate. The latter are in fact generally intermittent and with an easily recognizable sound spectrum (at least in the remote and sparsely populated regions concerned by the invention). Perhaps the most annoying will be the wind. Its sound signature should however remain quite different from that of most raindrops (regardless of the receiving surface), to the point that we can also consider estimating the wind speed also and indirectly using the 'invention. Thus, all the elements of the landscape of the invention will be able to benefit, with variable precisions, from its measurements provided that the knowledge of their spatiotemporal distributions is interesting: the hydrometeors, the wind (by the noise it creates in the landscape ), animals (birds, frogs ...), plants (seeds, fruits ...), Man ...

Selon des modes particuliers de réalisation : - On peut adjoindre un ou plusieurs objets (passifs) à distance du boîtier destinés à prévenir de l'arrivée et de la distribution spatiale de la pluie par un bruit spécifique. Ces objets, situés à des positions soigneusement étudiées (en fonction des caractéristiques des microphones, de la topographie du terrain...), peuvent être par exemple constitués d'une plaque montée sur des poteaux et capable de résonner. Elle ne nécessite pas d'entretien. According to particular embodiments: - One or more (passive) objects can be added at a distance from the housing intended to prevent the arrival and spatial distribution of rain by a specific noise. These objects, located at carefully studied positions (depending on the characteristics of the microphones, the topography of the terrain, etc.), can for example consist of a plate mounted on posts and capable of resonating. It does not require maintenance.

- Le boîtier abritant les microphones peut avoir une forme hémisphérique, conique ou toute autre forme qui permet de réduire les bruits parasites locaux (non illustré). Il peut être revêtu de mousse qui absorbe les sons et/ou d'un vernis hydrophobe destiné à amortir au mieux le bruit des gouttes de pluie. - The housing housing the microphones may have a hemispherical, conical shape or any other shape which makes it possible to reduce local parasitic noise (not shown). It can be covered with foam which absorbs sounds and / or a hydrophobic varnish intended to dampen the noise of raindrops as well as possible.

- Dans une version différente ou non de la précédente (non illustrée), on peut adjoindre un microphone classique (multidirectionnel) sous le boîtier pour mesurer la part du bruit à l'emplacement du boîtier et celle situé à distance. - In a version different or not from the previous one (not illustrated), one can add a conventional microphone (multidirectional) under the box to measure the share of noise at the location of the box and that located remotely.

- La disposition et le nombre de microphones abrités par le boîtier peuvent prendre toutes les configurations visant à améliorer la mesure des distributions spatiale et temporelle des précipitations, y compris celle n'utilisant qu'un microphone (non illustré). Il est par exemple possible de placer plus de 4 microphones (dans de nouvelles directions) pour améliorer la résolution angulaire de la mesure. De même, on peut placer plus d'un microphone dans une même direction, mais de différente sensibilité ou ouverture angulaire, pour améliorer la résolution spatiale de la mesure. - The arrangement and the number of microphones sheltered by the box can take all the configurations aiming to improve the measurement of the spatial and temporal distributions of precipitation, including that using only a microphone (not illustrated). It is for example possible to place more than 4 microphones (in new directions) to improve the angular resolution of the measurement. Likewise, more than one microphone can be placed in the same direction, but with different sensitivity or angular aperture, to improve the spatial resolution of the measurement.

- Un autre mode de réalisation de l'invention (non illustrée) peut remplacer les objets précités par des émetteurs sonores (haut-parleurs, dits objets actifs ) au spectre parfaitement connu et optimisé selon les besoins, sans restriction de fréquence, d'intensité ou de bande passante. - Another embodiment of the invention (not illustrated) can replace the aforementioned objects with sound transmitters (loudspeakers, so-called active objects) with a spectrum which is perfectly known and optimized as required, without restriction of frequency, intensity or bandwidth.

Ces émetteurs, placés à grande distance et dans l'axe des microphones du boîtier, ont leur spectre modifié par la pluie présente sur le trajet du son. La comparaison des spectres par temps sec et par temps pluvieux doit permettre d'identifier la taille moyenne des gouttes de pluie rencontrées, puis d'estimer la pluviométrie dans la direction de ces émetteurs. Il n'est pas indispensable de synchroniser les émetteurs et récepteurs de ce dispositif. These transmitters, placed at great distance and in the axis of the microphones of the box, have their spectrum modified by the rain present on the sound path. The comparison of spectra in dry weather and in rainy weather should make it possible to identify the average size of the raindrops encountered, then to estimate the rainfall in the direction of these emitters. It is not essential to synchronize the transmitters and receivers of this device.

- Enfin, dans le but d'améliorer le mode de réalisation précédent, on peut exploiter la propriété de focalisation automatique des miroirs à retournement temporels appliquée aux ultrasons : l'utilisation de réseaux de transducteurs (émetteurs/récepteurs) à la position des objets actifs doit permettre la focalisation des sons qu'ils émettent sur le boîtier (tel un hologramme acoustique) et donc une meilleure analyse des déformations de leurs spectres acoustiques causées par les intempéries. - Finally, in order to improve the previous embodiment, we can exploit the property of automatic focusing of time-reversing mirrors applied to ultrasound: the use of networks of transducers (transmitters / receivers) at the position of active objects must allow the focusing of the sounds they emit on the housing (such as an acoustic hologram) and therefore a better analysis of the deformations of their acoustic spectra caused by bad weather.

Le schéma de la figure 2 illustre l'invention :
En référence à ce schéma, le dispositif comporte un boîtier (1) munit dans ce mode de réalisation de 4 ouvertures, chacune placée en face de chaque microphone (2). Ces derniers sont placés légèrement en retrait pour ne pas être touchés ou perturbés par la pluie. Le module enregistreur des sons (3) communique les données mesurées à une centrale d'acquisition (4) par l'intermédiaire d'une liaison par câble (5), hertzienne ou tout autre selon les besoins. Un microphone classique (6) enregistre les sons à l'emplacement même du boîtier (1). Des objets sonores (7), actifs ou passifs, sont disposés à une certaine distance et avec certaines orientations par rapport aux microphones. En recevant les précipitations symbolisées par le nuage (8), ils émettent un bruit aisément reconnaissable et figuré par les liaisons pointillées (9). The diagram in FIG. 2 illustrates the invention:
With reference to this diagram, the device comprises a housing (1) provided in this embodiment with 4 openings, each placed opposite each microphone (2). These are placed slightly behind so as not to be touched or disturbed by the rain. The sound recorder module (3) communicates the measured data to an acquisition center (4) via a cable (5), wireless or any other link as required. A conventional microphone (6) records sounds at the very location of the housing (1). Sound objects (7), active or passive, are arranged at a certain distance and with certain orientations relative to the microphones. When they receive the precipitation symbolized by the cloud (8), they emit an easily recognizable noise, represented by the dotted lines (9).

Pour faciliter la compréhension, les différentes composantes du schéma de la figure 2 ne sont pas à l'échelle. Le schéma s'entend vu de dessus. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier (1) contenant les microphones ou les objets actifs (7) auront des dimensions de l'ordre de 40cm de diamètre et de hauteur, tandis que les objets passifs pourront faire quelques m2. Le boîtier (1) et toutes les autres pièces susceptibles d'être en contact avec l'eau auront intérêt à être non corrosives. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier aura intérêt à être placé en hauteur, aux normes OMM pour les pluviographes. To facilitate understanding, the various components of the diagram in Figure 2 are not to scale. The diagram is understood seen from above. By way of nonlimiting example, the box (1) containing the microphones or the active objects (7) will have dimensions of the order of 40cm in diameter and height, while the passive objects may be a few square meters. The housing (1) and all the other parts likely to be in contact with water should be non-corrosive. By way of nonlimiting example, it will be advantageous to place the box in height, in accordance with OMM standards for rain gauges.

Le dispositif est particulièrement destiné aux régions pluvieuses, uniformes et difficilement accessibles telle que la forêt vierge, la montagne (couverte de végétation ou enneigée), voire les déserts. Ceci n'est pas restrictif et il pourra tout autant être placé au-dessus de l'eau dans une région estuarienne ou sur un lac. The device is particularly intended for rainy, uniform and difficult to access regions such as virgin forest, mountains (covered with vegetation or snow), or even deserts. This is not restrictive and it can just as easily be placed above water in an estuarine region or on a lake.

Claims

CLAIMS 1. A process characterized by the use of sound produced by precipitation (or any other hydrometeor) when arriving at the Earth's surface to quantify it. The sound waves propagate from so-called passive objects exposed to the rain and placed at a distance from the receiving instrument, which then transmits the recording to a data acquisition center via a link.

2. Process characterized by the use of distortions of an artificial sound crossing a precipitation field (or any other hydrometeor) to quantify it. Sound waves propagate from so-called active objects placed at a distance from the receiving instrument and emitting a sound focused on it. The receiver then transmits the recording to an acquisition center via a link.

3. Device for implementing the methods of claims 1 and 2 characterized by a housing (1) having 4 openings in front of which are set back unidirectional microphones (2), connected to a module (3) which records their spectrum and communicates this data to an acquisition and processing center (4) via a link (5).

4. Device according to claim 3 characterized by the hemispherical or profiled shape and by the hydrophobic coating of the housing (1) in order to reduce the noise of hydrometeors on said housing. To this end, the latter can be covered with foam or varnish.

5. Device according to claim 3 characterized by the flat and hollow shape of the top of the housing (1) in order to amplify the noise of hydrometeors on said housing, and by the presence of a conventional multidirectional microphone (6) placed under the housing (1).

6. Device according to any one of claims 3 to 5 characterized by a star configuration and a number of microphones (2) greater than or equal to 4, provided that they make it possible to improve the angular measurement of the distribution of precipitation.

7. Device according to any one of claims 3 to 6 characterized by a number of microphones (2) greater than or equal to 1 in the same direction, but of different sensitivity or angular opening to improve the spatial resolution of the measurement

8. Device for implementing the method of claim 1 and according to any one of claims 3 to 7 characterized by objects (7) said to be passive, in number greater than or equal to the number of microphones (2) and placed at distance in front of each of them. Said objects must be able to resonate in the rain and can be simple non-corrosive plates mounted on feet.

9. Device for implementing the method of claim 2 and according to any one of claims 3 to 7 characterized by objects (7) called active, speaker network (transmitters) or transducers (transmitters / receivers) , in number greater than or equal to the number of microphones (2) and placed at a distance opposite each of them.

10. Device for the simultaneous implementation of the methods of claims 1 and 2 and according to claims 8 and 9 characterized by the combination of active and passive objects (7) whose sound spectra are sufficiently distinct to be identified during the processing of recordings.