FR2917506A1

FR2917506A1 - Procede de stockage de mesures prises par un radar

Info

Publication number: FR2917506A1
Application number: FR0704283A
Authority: FR
Inventors: Myriam Chabah; Jean Paul Artis
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-19
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: US20080309549A1; US7639172B2; FR2917506B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de stockage de mesures d'un type donné prises par un radar, chaque mesure ayant été prise à une position dans un repère donné.Le procédé comporte une étape d'accès à un espace structuré de stockage de données dont chaque emplacement est adressable par un couple d'entiers positifs et dont chaque emplacement est apte à stocker au moins un profil d'évolution des mesures du type donné en fonction de l'altitude.Il comporte également une étape de maillage qui, à un couple d'entiers permettant d'adresser un emplacement, associe une position au sol.Le procédé comporte aussi une étape de modification du contenu de l'emplacement dont l'adresse est le couple d'entiers en y stockant un profil d'évolution tel que pour toute position au sol suffisament proche de la position associée au couple et pour laquelle une mesure a été prise à une certaine altitude, le profil d'évolution donne sensiblement la mesure prise à cette altitude.

Description

Procédé de stockage de mesures prises par un radar

La présente invention concerne un procédé de stockage de mesures d'un type donné prises par un radar. Elle s'applique par exemple dans le domaine des radars météorologiques Un radar météorologique permet de localiser les précipitations comme la pluie, la neige ou la grêle, de mesurer leur intensité et éventuellement de repérer les phénomènes dangereux. La plupart des radars météorologiques sont implantés au sol et font souvent partie d'un réseau plus vaste de surveillance météorologique. Mais de plus en plus d'applications aéroportées voient le jour, le transport aérien étant particulièrement intéressé par les phénomènes météorologiques. Il s'agit notamment de permettre le contournement des cumulo-nimbus, énormes nuages très craint des pilotes car donnant parfois des orages violents. Même les avions de ligne détournent leur route afin d'éviter de croiser le chemin de certains cumulo-nimbus particulièrement menaçants. En effet, la foudre, la grêle, et les forts cisaillements de vents à l'intérieur du nuage s'ajoutent au risque de givrage et peuvent mettre le vol en danger si le pilote essaie de passer au travers. Un radar météorologique permet la détection des cibles volumiques étendues que sont les nuages, dont il doit donner la position, la taille et la dangerosité. Pour cela, un radar météorologique peut par exemple émettre une onde dans la bande X. La distance à un nuage est déduite du temps nécessaire à l'impulsion émise pour effectuer à la vitesse de la lumière le trajet aller-retour de l'antenne du radar au nuage. Ce temps correspond simplement à la durée entre l'émission d'une impulsion et la réception de son écho. L'estimation de la taille d'un nuage implique d'estimer sa superficie, c'est-à-dire la distance horizontale maximale sur laquelle il s'étend, ainsi que d'estimer son élévation, c'est-à-dire la distance verticale maximale sur laquelle il s'étend. L'estimation de la superficie tire notamment profit du balayage en azimut du faisceau radar. L'estimation de l'élévation tire notamment profit du balayage en site du faisceau radar. A titre indicatif, l'élévation d'un cumulo-nimbus dépasse souvent 10000 mètres ! C'est l'élévation qui caractérise en premier lieu la dangerosité du nuage, car plus un nuage convectif est haut, plus il est dangereux. Mais le niveau de dangerosité du nuage est également lié à son facteur de réflectivité, noté Z, qui caractérise la concentration d'hydrométéores en suspension dans un volume d'air, sous forme liquide ou solide. En quelque sorte, le facteur de réflectivité Z représente l'intensité du nuage. Une fois en échelle logarithmique, il se représente en dBZ. Concrètement, une console de visualisation affiche au personnel de bord une représentation simplifiée des nuages, à base de formes géométriques élémentaires comme des parallélépipèdes dont la couleur caractérise l'intensité, qu'il s'agisse de pluie, de neige ou de grêle. Par exemple, la couleur noir est souvent utilisée pour l'air sec, c'est-à-dire l'absence de nuage. Le vert et le jaune peuvent être utilisés pour les concentrations moyennes d'humidité. Le rouge est souvent utilisé pour les zones à très forte concentration d'humidité, c'est-à-dire les zones les plus dangereuses qu'il faut absolument contourner. L'affichage doit être quasiment instantané, éventuellement sur plusieurs écrans utilisés par des personnels variés tout au long du vol. Cette représentation graphique simplifiée des nuages est construite à l'écran à partir des mesures d'intensité prises antérieurement, ces mesures étant stockées à plus ou moins long terme dans un espace mémoire adapté. L'accès aux données doit donc être rapide et efficace, ce qui n'est pas sans poser des difficultés si l'on considère la quantité importante de données à stocker et donc l'espace mémoire à adresser. En effet, il s'agit quand même de mettre à disposition une valeur d'intensité pour toute position (x,y,z) de l'espace à portée du radar ! Les données doivent donc être stockées de manière structurée afin d'optimiser leur accès, en évitant notamment de les accéder séquentiellement. Il s'agit là de l'un des problèmes techniques auxquels la présente invention se propose de donner une solution innovante.

Une solution actuelle consiste à sauvegarder les informations d'intensité dans une matrice 3D dont chaque dimension correspond à une dimension spatiale. Ainsi, à toute position (x,y,z) correspond un triplet d'indices (i,j,k), le coefficient de la matrice 3D se trouvant à l'emplacement (i,j,k) contenant une valeur d'intensité associée à la position (x,y,z). Mais une telle solution est coûteuse en espace mémoire : quelle que soit la quantité d'information pertinente sauvegardée, la quantification purement spatiale dans une matrice impose de réserver un espace mémoire important. Car éventuellement, la matrice peut être remplie de valeurs nulles ou non significatives en grande partie sur toute une zone. Ainsi, par temps dégagé notamment, la mémoire est encombrée inutilement, ce qui est particulièrement dommageable dans les systèmes aéroportés dont les ressources sont limitées. Bien-sûr, le problème s'accentue lorsque la précision d'affichage augmente, c'est-à-dire lorsque la surface couverte par un coefficient (i,j,k) de la matrice 3D diminue alors que la zone météorologique à stocker reste la même.

L'invention a notamment pour but de proposer un compromis avantageux entre l'espace mémoire utilisé et la précision spatiale autorisée, ainsi que d'éviter de stocker trop de valeurs nulles ou non significatives. Pour une zone géographique 2D au sol donnée, il s'agit notamment de ne pas stoker toutes les valeurs d'intensité mesurées pour tous les niveaux d'altitude, mais plutôt de stocker une représentation paramétrique de ces valeurs. A cette fin, ce sont des fonctions qui sont stockées, chaque fonction traduisant l'évolution en fonction de l'altitude de l'intensité à un endroit considéré au sol.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de stockage de mesures d'un type donné prises par un radar, chaque mesure ayant été prise à une position dans un repère donné. Le procédé comporte une étape d'accès à un espace structuré de stockage de données dont chaque emplacement est adressable par un couple d'entiers positifs et dont chaque emplacement est apte à stocker au moins un profil d'évolution des mesures du type donné en fonction de l'altitude. Il comporte également une étape de maillage qui, à un couple d'entiers permettant d'adresser un emplacement, associe une position au sol. Il comporte aussi une étape de modification du contenu de l'emplacement dont l'adresse est le couple d'entiers en y stockant un profil d'évolution tel que pour toute position au sol suffisament proche de la position associée au couple et pour laquelle une mesure a été prise à une certaine altitude, le profil d'évolution donne sensiblement la mesure prise à cette altitude. Dans un mode de réalisation, plusieurs profils d'évolution peuvent être stockés à l'emplacement dont l'adresse est le couple. Eventuellement, un seul desdits profils peut être non nul pour une altitude donnée. Avantageusement, le profil peut être stocké sous la forme d'une structure contenant un p-uplet de valeurs, p étant un entier positif non nul. Le profil d'évolution peut ainsi être une fonction constante par morceaux prenant p valeurs non nulles distinctes, ou une fonction polynomiale de degré p-1 ou encore une distribution spatiale définie par p-2 coefficients réels, une moyenne et un écart-type. II peut également être linéaire par segment. Par exemple, les mesures peuvent être des valeurs caractérisant la réflectivité des nuages ou leur niveau de dangerosité, prises par un radar météorologique aéroporté.

L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet de ne plus gaspiller de l'espace pour stocker des valeurs inutiles, comme les valeurs correspondant à des zones sans nuage ou sans danger météo.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, une illustration par une vue d'écran à bord d'un avion d'un exemple où les fonctions paramétriques sont de simples fonctions constantes par morceaux ; la figure 2, une illustration par un diagramme d'un exemple de structures enrichies pour stocker des fonctions paramétriques.

Le procédé selon la présente invention propose de stocker les meures prises par un radar, comme la réflectivité des nuages ou leur niveau de dangerosité dans le cas d'un radar météorologique, d'une manière permettant de limiter significativement la quantité d'information sauvegardée. Avantageusement, le procédé peut être facilement implémenté dans la plupart des systèmes informatiques de traitement des signaux radars, qu'ils soient aéroportés ou pas, et ceci sans modification de leur configuration matérielle ou logicielle. Pour cela, un segment de mémoire vive (RAM) est 5 structuré en une matrice à deux dimensions, chaque case de la matrice étant accessible par un couple d'indices (i, j) entiers positifs. La matrice forme un maillage 2D du sol, c'est-à-dire qu'à toute case d'indices (i, j) correspond une position au sol (x;, yJ,0) dans un repère donné, x, et yj étant des réels. De plus, chaque case d'indices (i, j) contient une donnée complexe permettant de déduire la réflectivité des nuages ou leur niveau de dangerosité à la verticale de la position (x;, yJ,0) en fonction de l'altitude z . En d'autres termes, la donnée complexe stockée à la case (i, j) permet de déduire la réflectivité des nuages, leur niveau de dangerosité ou toute autre grandeur en toute position (x;, y,, z) . Par exemple, la donnée complexe peut être un enregistrement E;i={S1, S2,...,SN} de N structures Sk, N étant un entier positif non nul et k un entier compris entre 1 et N, chaque structure Sk permettant de décrire une fonction paramétrique f qui, à une hauteur h, associe une réflectivité des nuages, un niveau de dangerosité ou toute autre grandeur. Comme illustré par les trois exemples qui suivent, le type de la fonction paramétrique f peut varier sans déroger aux principes de la présente invention : f peut être une fonction constante par morceaux, une fonction polynomiale ou encore une distribution spatiale. L'invention nécessite donc de stocker dans chaque case d'indice (i, j) de la matrice au moins une structure représentant une fonction paramétrique f telle que, pour toute position (x,y,O) suffisamment proche de (x;, yJ,0) en deçà d'un certain seuil et pour laquelle une mesure M(x,y,z) a été prise à une altitude z , la mesure M(x,y,z) soit suffisamment proche de f (z) en deçà d'un certain seuil au sens d'une norme adaptée au type de la mesure. Avantageusement, plusieurs structures représentant plusieurs fonctions paramétriques peuvent 30 être stockées dans une case d'indices (i, j) . Dans ce cas avantageusement mais non exclusivement, pour une altitude z donnée, une seule des fonctions paramétriques stockées est non nulle en z . Dans un autre mode de réalisation, f peut être une fonction linéaire par segment.

La figure 1 illustre par une vue d'écran à bord d'un avion un premier exemple où les fonctions paramétriques sont de simples fonctions constantes par morceaux. La figure 1 montre comment l'invention peut par exemple permettre d'afficher facilement la réflectivité des nuages ou leur niveau de dangerosité par un code de couleurs, les mesures ayant été prises par un radar aéroporté. L'écran affiche un nuage typique 1 représenté en coupe verticale dans un graphe, l'abscisse indiquant la distance par rapport au radar et l'ordonnée indiquant l'altitude en pieds par rapport au sol. A droite du graphe, l'écran affiche également une palette de couleurs permettant d'associer chaque niveau de réflectivité à une couleur. Par exemple, un niveau de réflectivité inférieur à 20 dBZ est affiché dans une couleur co, par exemple le noir. Un niveau entre 20 dBZ et 30 dBZ est affiché dans une couleur c,, par exemple le vert. Un niveau entre 30 dBZ et 40 dBZ est affiché dans une couleur c2, par exemple le jaune. Enfin, un niveau supérieur à 40 dBZ est affiché dans une couleur c3, par exemple le rouge. Typiquement, en valeur moyenne de réflectivité et pour des écarts entre couleurs de l'ordre de 10 dB, un nuage se caractérise par une succession de mesures d'intensités croissantes en allant vers le centre du nuage, puis décroissantes en s'éloignant du centre du nuage. Dans l'illustration du nuage 1, ce phénomène typique est mis en évidence dans des structures en colonnes 2, 3 et 4 correspondant respectivement à des distances de l'ordre de 1,15, 1,25 et 1,3 par rapport au radar. Dans la colonne 2, on passe ainsi du noir au vert à une altitude hi de l'ordre de 1000 pieds, du vert au jaune à une altitude h2 de l'ordre de 2500 pieds, du jaune au rouge à une altitude h3 de l'ordre de 5000 pieds, du rouge au jaune à une altitude h4 de l'ordre de 8000 pieds, du jaune au vert à une altitude h5 de l'ordre de 9000 pieds, et enfin du vert au noir à une altitude h6 de l'ordre de 12000 pieds. Une structure S permettant de représenter la colonne 2 peut se définir par un enregistrement de 6 hauteurs S={h1,h2,...h6} dans lequel chaque hauteur correspond respectivement à une hauteur de changement de couleur : hl pour le passage du noir au vert, h2 pour le passage du vert au jaune, h3 pour le passage du jaune au rouge, h4 pour le passage du rouge au jaune, h5 pour le passage du jaune au vert, h6 pour le passage du vert au noir. Il apparaît qu'en postulant que la mesure de l'intensité d'un nuage est graduée, il est possible de limiter la quantité d'informations sauvegardée. Ainsi, un très faible nombre de paramètres, comme les six paramètres du présent exemple, peuvent permettre d'afficher un niveau de réflectivité sans erreur de quantification de l'information. Notamment, l'utilisation de l'information de gradation de la mesure de l'intensité d'un nuage a priori limite la quantité d'informations sauvegardée.

De manière plus générale, chaque fonction paramétrique f peut être définie par une fonction constante par morceaux sous la forme d'un puplet de hauteurs {h1,h2,...hp}, où p est un entier non nul, telles que :

h,>ha f(h)=zo h, <h<hz p f(h)=z, f(h) hp_, <h<hp f(h)=zp h>hp a f(h)=zo où les valeurs {zo,z1,...zp} sont des valeurs de réflectivités moyennes correspondant respectivement à des couleurs {co,c1,...cp} fixées pour toutes les structures Sk. Dans ce cas, une structure Sk est définie par un enregistrement {h1,h2,...hp}. Ainsi de h1 à h2 une couleur c1 est affichée, de h2 à h3 une couleur c2 est affichée, et ainsi de suite jusqu'à hp_1 à hp où la couleur co est affichée. Pour les hauteurs au-dessus de hp ou en dessous de h1, la couleur co est affichée. Dans un autre mode de réalisation, une fonction paramétrique continue et linéaire par segment peut être définie de manière similaire par un p-plet de hauteurs {h1,h2,...hp} définissant les points de changement de pente de la fonction.

La figure 2 illustre par un diagramme un exemple des structures enrichies par rapport à la structure S de l'exemple de la figure 1. Les structures sont représentées au-dessus d'une matrice fl à deux dimensions qui les stocke. La matrice fl comporte 4 lignes indicées de i=1 à i=4 et 11 colonnes indicées de j=1 à j=11. Pour des raisons de clarté, seul l'indice de ligne i=4 et l'indice de colonne j=1 ont été représentés. Par exemple, dans une structure S1 stockée à la case d'indices i=3 et j=3 et définie par un enregistrement {hio, h11, h12, h13, h14, h15, h16}, le nuage 1 touche le sol G à une hauteur h10, la hauteur h10 donnant l'altitude du sol et h10 étant égale à une hauteur h11 donnant le plancher du nuage 1. Dans la structure S1, la mesure d'intensité atteint une valeur maximale Zmaxi à une altitude hzmaxi. Autre exemple, dans une structure S2 stockée à la case d'indices i=2 et j=8, définie par l'enregistrement {h2o, h21, h22, h23, h24, h25, h26}, la couleur jaune n'apparaît pas entre le vert et le rouge, ce qui est repéré par le fait que la hauteur h22 est égale à la hauteur h23. De même, le vert n'apparaît pas au-dessus du jaune, ce qui est repéré par le fait que la hauteur h26 est égale à la hauteur h25. Dans la structure S2, la mesure d'intensité atteint une valeur maximale Zmax2 à une altitude hzmax2. Autre exemple, une structure S3 stockée à la case d'indices i=3 et j=10, définie par l'enregistrement {h30, h31, h32, h33, h34, h35, h36), et une structure S4 stockée également à la case d'indices i=3 et j=10, définie par l'enregistrement {h41, h42, h43, h44, h45, h46}, correspondent toutes deux à une même position au sol. Ceci est repéré par l'absence d'une hauteur h40 dans S4 pour représenter l'altitude du sol. Dans la structure S3, la mesure d'intensité atteint une valeur maximale Zmax3 à une altitude hzmax3. Dans la structure S4, la mesure d'intensité atteint une valeur maximale Zmax4 à une altitude hzmax4•

La fonction f peut également être une fonction polynomiale définie par un p-uplet (ao, al,...,ap_I) de coefficients : f(h) = ao +alh+a2h2 +...+ap_ p-1 Dans ce cas, une structure Sk est définie par l'enregistrement (a0, La fonction paramétrique f peut aussi être une distribution spatiale autour d'un pixel (xo,yo) : (h 2 ù mh Loo (h) = Ep_l k; exp ù i=0 6h

Dans ce cas, une structure Sk est définie par un enregistrement {ko, mh,ah} où ko, k1,...,kp_1 sont des coefficients réels, mh est la moyenne des hauteurs auxquelles des mesures ont été prises à la verticale 25 30 de (xo,yo) et ah est l'écart-type des hauteurs auxquelles des mesures ont été prises à la verticale de (xo,yo).

II faut noter que l'invention décrite précédemment n'est pas uniquement applicable à la mesure de l'intensité ou réflectivité d'un nuage. Sans déroger aux principes de l'invention, elle est également applicable à toute grandeur mesurée ou calculée susceptible de varier en fonction de l'altitude, comme par exemple le niveau de risque, l'écart type en vitesse ou encore l'échelle intégrale. L'invention décrite précédemment permet par ailleurs de tirer pleinement profit de l'augmentation rapide de la puissance de calcul par rapport à l'espace mémoire disponible, tout spécialement dans les systèmes aéroportés. En effet, la représentation paramétrique du niveau de réflectivité selon l'invention permet de compresser l'information pertinente et ainsi de gagner en espace mémoire. Notamment, l'utilisation de l'information de gradation de la mesure de l'intensité d'un nuage a priori limite la quantité d'informations sauvegardée. Ainsi, le débit nécessaire pour transmettre les informations caractérisant une situation météorologique est considérablement diminué. La disparition de la quantification de l'information en altitude simplifie l'affichage en vue panoramique à angle d'élévation constant, type d'affichage plus connu sous l'acronyme anglo-saxon de PPI signifiant Plan Position Indicator . Egalement, la nature paramétrique de la représentation selon l'invention permet de faire plus facilement et plus précisément des calculs de tendance verticale.25

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de stockage de mesures d'un type donné prises par un radar, chaque mesure M(x, y, z) ayant été prise à une position (x, y, z) dans un repère donné, où x , y et z sont des réels, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape d'accès à un espace structuré de stockage de données (H) dont chaque emplacement est adressable par un couple d'entiers positifs et dont chaque emplacement est apte à stocker au moins un profil d'évolution des mesures du type donné en fonction de l'altitude z ; 1 o une étape de maillage qui, à un couple (i, j) d'entiers positifs permettant d'adresser un emplacement, associe une position (x,, y f,0) où x, et y i sont des réels ; une étape de modification du contenu de l'emplacement dont l'adresse est le couple (i, j) en y stockant un profil d'évolution fi 15 tel que pour tout couple (x, y) de réels vérifiant x ù x 5 eL et y - y f ey où ex et ey sont des seuils réels donnés, pour lequel une mesure M(x, y, z) a été prise à une altitude z , M(x, y, z) ù f J EM où EM est un seuil réel donné et est une norme adaptée au type des mesures.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs profils d'évolution sont stockés à l'emplacement dont l'adresse est (i, j) .

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que un seul des 25 profils est non nul pour une altitude z donnée.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil ff est stocké à l'emplacement dont l'adresse est (i, j) sous la forme d'une structure (SI, Sn) où n est un entier positif non nul, Sk contenant un p-30 uplet de valeurs pour tout entier k entre 1 et n, p étant un entier positif non nul. 20 2011

5. Procédé de stockage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil d'évolution ff est une fonction constante par morceaux.

6. Procédé de stockage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le 5 profil d'évolution fj est une fonction linéaire par segments.

7. Procédé de stockage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil d'évolution fi est une fonction polynomiale de degré p-1. 10

8. Procédé de stockage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil d'évolution J. est une distribution spatiale définie par p- 2 coefficients réels, une moyenne et un écart-type.

9. Procédé de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 15 mesures sont prises par un radar météorologique.

10. Procédé de stockage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les mesures sont des valeurs caractérisant la réflectivité des nuages ou leur niveau de dangerosité.

11. Procédé de stockage selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le radar météorologique est aéroporté.