FR3086765A1 - Procede d'evaluation de la maturite d'une cellule nuageuse et systeme associe - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse (N, N1, N2), mis en œuvre par une unité de traitement (31) d'un système (1) de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse (N), ledit système (1) comportant outre ladite unité de traitement (31), une mémoire de données (33), un radar météorologique (20) et un dispositif interférométrique (10) coopérant chacun avec ladite unité de traitement (31), ledit procédé (100) comportant notamment une étape (150) pour délivrer par une interface homme-machine une représentation numérique d'un tel niveau de maturité en exploitant conjointement les informations émanant du radar météorologique (20) et du dispositif interférométrique (10).
Description
Procédé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse et système associé
L'invention concerne le domaine des dispositifs ou des systèmes de détection et/ou d'observation de sources électromagnétiques. De tels dispositifs ou systèmes sont utilisés pour tous types d'usage et préférentiellement mais non limitativement, en lien avec des phénomènes météorologiques, et plus particulièrement, pour assurer des fonctions de détection de foudre, également connues sous la dénomination anglo-saxonne « lightning detection ».
Dans la suite du document, l'invention sera décrite préférentiellement mais non limitativement en lien avec la prévention contre la foudre, c'est-à-dire dans un cadre d'actions ayant pour objectif de réduire ou prévenir d'éventuels dommages causés par des orages, plus particulièrement, les phénomènes de foudre sur des territoires plus ou moins sensibles que d'autres, tels des zones cultivées, ou sur des infrastructures par exemple. L'invention peut également être étendue à tous phénomènes associés à la foudre, tels que, non limitativement, la grêle, des vents violents, etc.
Au sens de l'invention et dans tout le document, à des fins de simplification, les termes « éclair(s) » et « foudre » seront indifféremment employés.
Depuis des dizaines d'années, la foudre fascine les hommes, plus particulièrement les scientifiques. En outre, la foudre fait l'objet de nombreuses études dans le domaine de la météorologie, puisque celle-ci présente de nombreux dangers, pouvant entraîner des dommages, tant sur le plan matériel que sur le plan humain, tels que, par exemple, le déclenchement d'incendies, une possible électrocution d'êtres humains et/ou d'animaux susceptible d'entraîner leurs morts, des interférences électromagnétiques éventuellement nuisibles aux communications entre des objets électroniques, par exemple dans les domaines de l'aviation et/ou de la navigation, des destructions de composants électroniques dans des infrastructures et/ou équipements.
Lors d'un orage, deux phénomènes sont couramment observés : un ou plusieurs éclairs et un tonnerre.
Le ou lesdits éclairs consistent en une ou plusieurs décharges électriques engendrant une onde électromagnétique. Ils sont le résultat visible d'un échauffement de l'air. Le tonnerre correspond quant à lui à un bruit émis lors d'une brusque dilatation de l'air échauffé lors du passage du courant électrique résultant desdites décharges électriques. En effet, la foudre consiste en un phénomène naturel de décharge électrostatique discontinue, un tel phénomène se produisant généralement dans des régions de nuages d'orage chargés en électricité statique, c'est-à-dire soit dans ou entre de tels nuages (« Cloud lightning » selon une terminologie anglo-saxonne), soit entre de tels nuages et l'air ou encore le sol (« Cloud to Ground (CG) lightning » selon une terminologie anglo-saxonne), le sol pouvant comprendre une ou plusieurs zones terrestres ou maritimes. Quelle que soit la nature d'un éclair, celui-ci est précédé et suivi de phénomènes électriques de plus faibles intensités appelés respectivement « précurseurs » (ou « leader » selon une terminologie anglo-saxonne) et « streamer ». Ce sont en général les précurseurs qui déterminent les trajets des éclairs. On distingue deux grandes familles de précurseurs : les précurseurs ou traceurs par pas (« stepped leader » selon une terminologie anglo-saxonne) et les précurseurs continus (« dart leader » selon une terminologie anglo-saxonne). Les précurseurs par pas précèdent le premier arc de l'éclair nuage-sol et progressent vers le sol par bonds d'une cinquantaine de mètres de long. Les précurseurs continus précèdent quant à eux les arcs subséquents des éclairs nuages-sol ainsi que les différents types d'éclairs intra-nuages. Les systèmes capables de détecter à la fois les éclairs, les précurseurs et les streamers sont dits de détection totale (« total lightning » selon une terminologie anglo-saxonne) . Ils opèrent généralement en haute fréquence (VHF-UHF), bandes dans lesquelles le rayonnement de ces phénomènes est le plus intense. L'apparition de la foudre entraîne la création d'un plasma, c'est-à-dire un milieu constitué d'un mélange de particules neutres, d'ions positifs et d'électrons négatifs, est produit dans l'air sur le parcours de la décharge, entraînant l'apparition de deux phénomènes précédemment mentionnés : d'une part l'éclair, qui se propage très rapidement, et d'autre part le tonnerre, qui résulte d'une dilatation explosive de l'air échauffé par l'éclair, et se propage relativement lentement en comparaison notamment de l'éclair. Généralement, la foudre a tendance à frapper le sol proche du nuage générateur, en particulier dans des régions de haute altitude, et/ou plus particulièrement les bâtiments, les arbres, ou encore tous objets proéminents sur le sol ou la mer. Le tonnerre, quant à lui, peut résonner d'un bruit, tel un craquement, sec et immédiat, lorsque l'éclair est proche, ou, en variante gronder plus largement au loin, plus particulièrement lorsque l'orage a lieu dans une région montagneuse, par effets d'écho notamment. La lumière se propageant beaucoup plus rapidement dans l'air que le son, l'éclair est en général visible bien avant que le tonnerre ne soit audible, permettant ainsi d'estimer approximativement la distance à laquelle la foudre est « tombée ».
Les nuages d'orage se développent à partir de cumulonimbus ou d'agrégats de cumulonimbus, de tels cumulonimbus pouvant contenir une centaine de milliers de tonnes d'eau, de grêlons et de petits cristaux de glace. Lesdits cumulonimbus sont généralement soumis à des cisaillements de vitesse, c'est-à-dire des variations de la vitesse du vent en fonction de l'altitude, à des cisaillements directionnels, c'est-à-dire des variations de l'orientation du vent en fonction de l'altitude, et à d'intenses ascendances et subsidences. Ces turbulences sont à l'origine de chocs entre les particules constituant le nuage, en particulier les cristaux de glace et les gouttelettes d'eau. La redondance de ces entrechocs entraîne l'arrachement d'électrons à des particules et ainsi à l'apparition de charges. Les particules les plus lourdes abritent les charges négatives tandis que les plus légères, supportées par les courants ascendants sont chargées positivement. A l'intérieur du ou des cumulonimbus, un processus d'électrification complexe entraîne alors la séparation de charges électrostatiques positives et négatives, et donc la création d'un champ électrique intense.
Dès que ce champ atteint une valeur suffisante, se forme alors un canal ionisé, également qualifié de traceur descendant, correspondant à l'éclair et se propageant par bonds successifs du nuage vers le sol.
Les processus physiques à l'origine des orages sont complexes et font notamment intervenir de nombreux éléments peu prévisibles car susceptibles de changements constants. Outre l'état de l'atmosphère, la formation des orages dépend également, pour beaucoup, des conditions locales très variables, notamment en matière de température et d'humidité, des sols aux abords desquels se forment les orages, de telles conditions étant plus particulièrement conditionnées par la nature du sol, le type de végétation, ou encore la configuration du relief dépendant elle-même de la présence de bâtiments. Par ailleurs, en comparaison d'éventuelles tempêtes, les phénomènes orageux sont généralement soudains, de courtes durées, allant de quelques dizaines de minutes à quelques heures, et concernent des zones relativement limitées, quelques dizaines de kilomètres. En conséquence, la détection et la localisation des phénomènes orageux s'avèrent ainsi particulièrement complexes.
A la vue des dégâts importants que peuvent engendrer la foudre ou plus généralement des orages, différents chercheurs ont tenté de trouver des méthodes ou procédés destinés à détecter, voire même localiser, la foudre, et ce afin de prévenir les éventuels dommages que la foudre pourrait causer, voire même dans certains cas, pour finalement préserver les infrastructures et les êtres vivants. De telles méthodes pour détecter la foudre se basent sur différentes technologies.
Comme d'ores et déjà mentionné, les éclairs peuvent être regroupés en deux catégories principales : les éclairs frappant le sol, également qualifiés de « coups de foudre », et les éclairs ne frappant pas le sol. Au sein de ces deux catégories, les éclairs peuvent être subdivisés d'autres sous-groupes, en fonction, par exemple, de la trajectoire spécifigue de tels éclairs et/ou de la direction du courant électrigue circulant dans les canaux lumineux associés à chague éclair. Les éclairs les plus répandus ne frappent généralement pas le sol et sont communément appelés « éclairs de nuages ou encore éclairs intra-nuages ». De tels éclairs, d'intensité plus faible gue les éclairs frappant le sol, permettent notamment de réduire les différences de charge spatiales dans un nuage ou entre les nuages. Le nombre desdits éclairs intra-nuages est un margueur de la convection des cellules orageuses, bien avant l'apparition des éclairs frappant le sol. Au fil des années, il est apparu primordial d'observer les éclairs intra-nuages pour un certain nombre de raisons. L'augmentation brutale du rythme intra-nuage, précurseur d'événements orageux violents, a été d'ores et déjà fait l'objet d'études est généralement nommée par la terminologie anglo-saxonne « Lightning Jump ». En effet, dans la plupart des orages gue l'on peut gualifier d'ordinaires, les éclairs de nuages sont généralement plus nombreux gue les éclairs frappant le sol, d'un facteur environ de deux à dix. Cependant, de manière surprenante, les orages violents produisent des taux d'éclairs intranuages beaucoup plus élevés gue ceux des éclairs frappant le sol, certains orages pouvant ne produire aucun éclair frappant le sol. Ainsi, les éclairs intra-nuages peuvent fournir des indications intéressantes et importantes relatives aux orages, telles gue, par exemple leurs taux de croissance et/ou d'intensité, conduisant en conséguence à des applications importantes en matière de prévision immédiate des orages. Dans la plupart des orages, un ou plusieurs éclairs intra-nuages précèdent le premier éclair frappant le sol, alors que la tempête peut d'ores et déjà avoir commencé à se développer et à devenir électrifiée. Généralement, de quelques minutes à quelques dizaines de minutes peuvent s'écouler entre le premier éclair intranuage et la première plage d'éclairs frappant le sol. Ce délai peut s'avérer, dans certains cas, primordial, puisqu'il permet d'utiliser les observations réalisées en lien avec les éclairs intra-nuages afin de fournir des avertissements ou alertes quant à la foudre pouvant frapper au sol, selon la position d'une tempête.
Les éclairs intra-nuages et les éclairs frappant le sol émettent une ou plusieurs ondes électromagnétiques, qualifiée au sens large d'énergie électromagnétique, sur une large gamme de fréquences. Suivant le type d'éclairs, la répartition de l'énergie électromagnétique émise en fonction de la fréquence est différente. Les éclairs frappant le sol ont, par exemple, une répartition spectrale en fréquences dans les basses fréquences, de l'ordre de quelques kilohertz. Les éclairs intra-nuages, quant à eux, ont une densité spectrale dans les très hautes fréquences, voire ultra-hautes fréquences. De telles disparités dans la répartition spectrale proviennent de la dimension des éclairs, plus particulièrement de la longueur d'onde. Ainsi, un éclair frappant le sol présente généralement une longueur d'onde de l'ordre de quelques kilomètres alors qu'un éclair intra-nuage présente généralement une longueur d'onde de l'ordre d'un mètre.
La plus grande partie de cette énergie est contenue dans des impulsions ou des rafales à très hautes fréquences ou ultra hautes fréquences (connues sous les abréviations et terminologies anglo-saxonnes respectives « VHP-Very High Frequency and UHF-Ultra High Frequency »), de telles impulsions étant plus ou moins longues et/ou soudaines. De telles émissions électromagnétiques peuvent être catégorisées et traitées de manière générale dans des gammes de fréquences radioélectriques traditionnelles se rapportant à des bandes communes de traitement du signal. Du fait de différences importantes dans les fréquences et les amplitudes du rayonnement électromagnétique à de telles fréquences, plusieurs techniques ont été développées pour détecter divers processus dans les éclairs intra-nuages et les éclairs frappant le sol.
Historiquement, une première technique relativement ancienne, puisque remontant à la fin du dix-neuvième siècle, a d'abord consisté à développer un système employant un dispositif de détection basée seulement sur le champ magnétique, également connu sous l'abréviation et la terminologie anglo-saxonnes « MDF - Magnetic Direction Finding », combiné à un ou plusieurs récepteurs radio à bande étroite dans des plages de très basses et basses fréquences. Les premières expériences tendaient notamment à comprendre les champs électromagnétiques produits par les éclairs et étaient principalement axées sur la détection d'éclairs verticaux, c'est-à-dire d'éclairs frappant le sol. Une telle première technique a notamment démontré l'importance du calibrage avant de déclencher les mesures de champ électrique et l'importance de la direction de détection. Par la suite, pour tenter de répondre à de telles contraintes, aux alentours des années 1950, d'autres chercheurs ont fait appel à des techniques de géolocalisation du temps d'arrivée, également connues sous les abréviations et les terminologies anglo-saxonnes « ToA - Time of Arrival » ou « ToF - Time of Flight », pour la première fois dans la géolocalisation de la foudre. De telles techniques de géolocalisation de type ToA utilisent des mesures de différence de temps entre l'arrivée des signaux de basse fréquence collectée par des capteurs positionnés au sol pour estimer une localisation d'évènements météorologiques comportant des éclairs frappant le sol. Toutefois, ces techniques présentent également un certain nombre de limites et d'inconvénients. De telles estimations peuvent notamment être altérées, selon la nature du terrain, par des effets de conductivité affectant la vitesse de propagation des signaux de foudre. En outre, chaque système basé sur une détection de type ToA identifie une fonction ou une forme unique et spécifique d'un signal, afin de fournir des temps d'arrivée les plus précis possibles, de l'ordre de cent nanosecondes. Une telle fonction ou forme de signal doit être ainsi considérée d'une manière commune par différents systèmes, communiquant en réseau, suffisamment éloignés les uns des autres pour réduire, voire éviter, les erreurs de corrélation entre les systèmes. En outre, de tels systèmes de détection de type ToA sont très sensibles en matière de rapport de signal sur bruit.
L'existence d'éclairs intra-nuages est ainsi connue depuis longtemps, mais la mise en œuvre de systèmes ou d'équipements de détection et de localisation d'ondes électromagnétiques, plus particulièrement d'éclairs intranuages, reste encore aujourd'hui délicate et complexe. En effet, dans la gamme de fréquences où de tels éclairs rayonnent, plus particulièrement en très hautes fréquences ou ultra hautes fréquences, de telles ondes électromagnétiques se propagent selon une direction sensiblement directe. En conséquence, les sites ou emplacements retenus pour l'installation ou la mise en place de systèmes pour détecter lesdits éclairs doivent être dénués de tout obstacle et/ou de toute source tierce émettrice de champs électromagnétiques. De plus, le ou les supports sur lequel sont installés lesdits systèmes présentent également des contraintes, puisque lesdits supports doivent répondre à un certain nombre de caractéristiques spécifiques, afin notamment de limiter, voire même prévenir, les effets de masque, les réflexions multiples, les déphasages que pourraient subir les ondes électromagnétiques que l'on cherche à détecter.
Les cellules orageuses sont le siège de dizaines de milliers de sources électromagnétiques sous la forme d'éclairs intra-nuages, contrairement aux éclairs frappant le sol beaucoup moins nombreux. Lorsque la détection de telles éclairs intra-nuages est réalisée sur la base de technologiques de type ToA, il est nécessaire d'employer un grand nombre de stations dans un espace restreint, impliquant alors des temps de calcul relativement longs du fait d'un volume important d'informations à traiter. Il est ainsi quasi impossible, avec des moyens de traitement économiquement appropriés, d'obtenir des informations en temps réel sur les éclairs intra-nuages en employant des technologies basées de type ToA.
Grâce aux développements de nouvelles technologies et connaissances, et face aux inconvénients induits par les technologies présentées précédemment, d'autres acteurs ont tenté de s'appuyer sur des techniques alternatives pour détecter la foudre en employant par exemple des systèmes basés sur une détection par interférométrie.
L'interférométrie consiste en une méthode de mesure exploitant la différence de phase d'une onde électromagnétique cohérente, la phase étant alors mesurée par deux récepteurs en deux points distincts. L'emploi de 1 ' interférométrie s'avère particulièrement astucieux, puisque les systèmes de détection basés sur 1'interférométrie ne requièrent pas une forme spécifique de signal et opèrent relativement facilement sur des signaux bruités. La figure 1 présente un premier exemple de réalisation d'un système connu de détection d'une source électromagnétique par interférométrie, d'ores et déjà disponible sur le marché. Un tel système 1 connu de détection d'une source électromagnétique, également qualifié d'antenne, a pour but de capter la foudre totalement, que ce soit les éclairs intra-nuages et/ou les éclairs frappant le sol, puisqu'il exploite non seulement des technologies d'interférométrie à haute fréquence pour détecter des éclairs intra-nuages, mais également des technologies à orientation magnétique et à temps d'arrivée à basse fréquence pour, quant à elles, détecter des éclairs frappant le sol.
Ledit système 1 de détection consiste en un réseau non ambigu, un tel système ou réseau étant avantageusement agencé pour opérer, à très hautes fréquences, c'est-à-dire dans des bandes de fréquences comprises entre cent onze (111) et cent dix-sept (117) mégahertz. Pour assurer l'observation ou la localisation d'éclairs intra-nuages, ledit système 1 comprend au moins cinq éléments conducteurs sous la forme de cinq dipôles 2. Le système 1 est ainsi qualifié de non ambigu, c'est-à-dire que la distance entre les dipôles est inférieure à une demi-longueur d'onde, une telle distance dépendant des termes de couplage entre les dipôles. Au sens de l'invention et dans tout le document, on entend par « dipôle », un tel dipôle pouvant également être qualifié d'antenne ou module d'antenne dipolaire, tout élément ou objet récepteur constitué de deux brins métalliques, alimenté en son milieu 2m, c'est-à-dire entre de tels deux brins, et destiné à recevoir tout ou partie de l'énergie électromagnétique émise par un éclair ou plus généralement par de la foudre. Afin d'assurer la cohésion des différents dipôles 2 selon un agencement déterminé dans toutes les directions à trois-cent soixante degrés, ledit système 1 de détection comporte une partie centrale 4, coopérant avec chacun des dipôles 2 respectivement au moyen d'un élément diélectrique avantageusement dimensionné. Les cinq dipôles 2 dudit système 1 sont avantageusement positionnées à équidistance de ladite partie centrale 4. Cette dernière est en outre agencée pour coopérer avec un capteur à basse fréquence, ledit capteur exploitant des technologies à l'orientation magnétique, à temps d'arrivée (ToA) et/ou à goniométrie magnétique en basse fréquence, ledit capteur étant agencé pour détecter ou localiser des coups de foudre. Une telle partie centrale 4 peut en outre être configurée pour coopérer simultanément et solidairement avec un système de géolocalisation de type GPS (pour « Global Positioning System » selon une terminologie anglo-saxonne), permettant ainsi une synchronisation, un calibrage et un étalonnage d'autres systèmes de détection positionnés en d'autres lieux d'intérêt et séparés spatialement. Le système 1 de détection comporte éventuellement un mât 3 agencé pour coopérer solidairement, c'est-à-dire selon une liaison mécanique adaptée, par exemple de type encastrement, la partie centrale 4 et également les éléments de détection du système. Un tel mât 3 permet notamment de positionner le système 1 de détection d'une source électromagnétique à différents lieux d'intérêt déterminés, notamment en haut d'infrastructures.
Toutefois, un tel système de détection d'une source électromagnétique connu, tel que celui décrit en lien avec la figure 1, présente, à l'instar des autres systèmes de détection précédemment mentionnés, un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord et comme mentionné précédemment, un système 1 connu comporte au moins cinq éléments conducteurs sous la forme de cinq dipôles. Un tel système peut ainsi s'avérer redondant, puisque certaines détections peuvent apporter des informations identiques, entraînant des traitements identiques superflus. En outre, l'architecture ou l'agencement particulier d'un tel système de détection d'une source électromagnétique connu, tel que celui décrit en lien avec la figure 1, impose audit système d'être implanté en un point culminant de la structure ou infrastructure au-dessus de laquelle il est positionné. Outre les difficultés que peut imposer une telle installation en matière de temps d'installation et du nombre d'opérateurs requis, mais également les difficultés de maintenance que peut en conséquence induire un système connu de détection d'une source, l'agencement particulier de ce dernier entraîne ainsi une restriction du nombre lieux ou d'infrastructures sur lesquels un tel système peut être installé. Par ailleurs, comme d'ores et déjà mentionné, un système de détection d'une source électromagnétique sous la forme d'un réseau est avantageusement agencé pour opérer, à très hautes fréquences, c'est-à-dire dans des bandes de fréquences comprises entre cent onze (111) et cent dix-sept (117) mégahertz. L'exploitation d'une telle bande de fréquence implique de dimensionner en conséquence un tel système de détection et conduit immanquablement à la conception d'un système encombrant et lourd. En effet, un tel système sous la forme d'un réseau d'antennes présente une forme d'un cylindre dont les dimensions sont sensiblement de l'ordre de cent vingt centimètres de diamètre et de cent vingt centimètres de hauteur. Outre un encombrement conséquent, le système est ainsi complexe à installer et/ou à maintenir et peu adapté pour certaines installations et/ou souvent des infrastructures existantes. En outre, l'agencement dudit système impose qu'aucun objet métallique ne peut être positionné autour du système à une distance sensiblement inférieure à dix fois la longueur d'onde.
Par ailleurs, indépendamment des difficultés inhérentes à l'encombrement de certains systèmes d'interférométrie connus, tels que celui décrit en lien avec la figure 1, mais également inhérentes aux restrictions d'implantations possible de tels systèmes, la technique mise en œuvre ne permet d'estimer qu'un azimut et une élévation. La distance, rapportée au sol, séparant une source électromagnétique et le système de détection ne peut être déduite précisément. En effet, le principe de 1'interférométrie consiste principalement en le calcul de la direction d'une source électromagnétique par la mesure du déphasage d'une ou plusieurs ondes électromagnétiques provenant de la même source lors de leur propagation, la mesure étant réalisée au moyen d'un ou plusieurs éléments conducteurs. L'équation définissant tout détection ou mesure effectuée/réalisée par un élément conducteur ou dipôle d'un système interférométrique, composé d'au moins deux éléments conducteurs ou dipôles, est donnée par la formule suivante : <5Φ = 2τγ—sin0cosç) , où :
Λ φ est l'élévation, c'est-à-dire l'angle décrit entre un plan horizontal défini par le sol et la direction de la source électromagnétique ;
l est la distance entre deux dipôles ;
λ est la longueur d'onde d'émission de la source électromagnétique ;
Θ est l'azimut, c'est-à-dire l'angle dans le plan horizontal entre la direction de la source magnétique et une direction de référence ;
Φ est le déphasage, c'est-à-dire la différence de phases à un même instant déterminé entre deux signaux décrivant l'onde électromagnétique par deux dipôles.
Une telle équation met en évidence une relation entre ledit déphasage Φ d'une onde électromagnétique et l'azimut Θ et l'élévation φ, permettant de localiser la source électromagnétique. Lorsque deux modules d'antenne, chacun à deux éléments conducteurs, d'un système interférométrique sont combinés selon deux orientations différentes, un système à deux équations indépendantes est alors obtenu. En fonction des phases ou déphasages mesurés par les éléments conducteurs dudit système interférométrique, dont la résolution du système à deux équations permet alors de déterminer l'azimut Θ et l'élévation φ, permettant d'estimer un cône dans lequel s'inscrit la source électromagnétique. La précision d'une telle estimation est uniquement fonction de la précision de la mesure de déphasage, la précision d'une telle mesure de phase dépendant uniquement du niveau de signal relatif à l'onde électromagnétique reçu et du temps d'intégration, c'est-à-dire la période de temps durant laquelle le récepteur doit être exposé à l'onde électromagnétique ou encore la période de temps de comparaison des phases respectives des deux signaux provenant de deux éléments conducteurs, permettant ainsi de réduire, voire de supprimer le bruit de mesure, en l'espèce entre une dizaine à quelques centaines de microsecondes.
Pour tenter de localiser les cellules nuageuses, d'autres techniques peuvent être mises en œuvre. Il existe en effet des radars dits « météorologiques » utilisés pour repérer des précipitations, ou plus généralement des hydrométéores, voire même en calculer les déplacements. En effet, un radar météorologique émet une impulsion de très courte durée de manière périodique. Ladite période entre deux impulsions est paramétrée en fonction d'une portée donnée du radar, de sorte à pouvoir recevoir les échos en lien d'une première impulsion venant de précipitations ou hydrométéores avant qu'une deuxième impulsion ne soit émise. Une distance « d » entre un radar et une cellule nuageuse peut être ainsi estimée par la relation d= où c est la vitesse de la lumière dans le vide, n est l'indice de réfraction de l'air et Δί le temps d'écho.
Il existe deux grandes familles de radars météorologiques : les radars dits « radars 2D », pour deux dimensions, ne pouvant mesurer qu'une distance et un azimut et les radars dits « radars 3D » qui peuvent déterminer à la fois, la distance et l'azimut d'une cellule nuageuse mais aussi son élévation. Des tels radars 3D émettent ainsi des impulsions sous la forme d'un faisceau très étroit à partir d'une antenne parabolique, selon séquentiellement différents angles d'élévation depuis l'horizon vers le zénith après chaque balayage. Toutefois, ce type d'équipement est très encombrant, extrêmement onéreux, notamment du point de vue des frais d'acquisition et d'entretien.
Outre la position, l'intensité et le déplacement de cellules nuageuses, les radars météorologiques peuvent estimer la nature de celles-ci. En effet, la technique du radar est basée sur la mesure de réflexion d'une impulsion émise par une antenne sur des gouttes d'eau ou autres flocons en formation dans une cellule nuageuse. Ainsi, une densité desdites gouttes d'eau peut être estimée à partir de l'intensité d'un écho.
Quel que soit le radar météorologique retenu, il n'est toutefois pas possible de déterminer ou estimer l'activité électrique d'une cellule nuageuse. Il n'existe donc pas à ce jour de techniques simples, induisant un équipement peu encombrant et économique pour estimer de manière faible la localisation et l'état d'une cellule nuageuse conformément à ce que prévoit la norme européenne EN 50536. Cette dernière stipule en effet des informations relatives aux caractéristiques des systèmes avertisseurs d'orage et des informations pour évaluer l'utilité des données relatives à la foudre en temps réel et/ou des données d'électrisation d'un orage pour mettre en œuvre des mesures préventives contre les dangers de la foudre ou plus généralement les risques météorologiques liés à l'orage.
L'invention permet de répondre à tout ou partie des inconvénients soulevés par les solutions connues.
Parmi les nombreux avantages apportés par un système pour détecter une source électromagnétique selon l'invention, nous pouvons mentionner que celui-ci :
localise précisément une cellule nuageuse théâtre d'une émission d'une onde électromagnétique, et donc éventuellement discrimine ladite cellule orageuse parmi une pluralité de cellules inscrites dans un même cône englobant et enfin estime un niveau de maturité d'une telle cellule nuageuse, notamment au sens de la norme européenne EN 50536 ;
peut, selon un mode de réalisation avantageux, se positionner sur tout type d'infrastructure, un tel système étant peu sensible aux variations mécaniques et à un couplage subvenant éventuellement entre différentes antennes dudit système, affranchissant l'opérateur dudit système d'une calibration systématique des antennes préalablement à leur emploi ;
propose un système de détection simple et modulaire, éventuellement mobile, pouvant ainsi être employé dans de nombreux lieux, un tel système étant peu sensible à d'éventuelles réflexions de sol ;
délivre, par une interface graphique innovante, une aide fiable pour prendre toute mesure préventive adaptée contre les dangers de la foudre.
A cette fin, il est notamment prévu un procédé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse, mis en œuvre par une unité de traitement d'un système de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse, ledit système comportant outre ladite unité de traitement, un radar météorologique et un dispositif interférométrique coopérant chacun avec ladite unité de traitement. Afin d'assurer la capture ou détection d'une telle source électromagnétique et plus particulièrement de garantir l'observation des éclairs intra-nuages, ledit procédé comportant :
une étape pour collecter et enregistrer, dans une mémoire de ladite unité de traitement, une représentation numérique de la réflectivité d'hydrométéores au sein de l'environnement capturable par ledit radar ;
une étape pour segmenter ladite représentation numérique et produire, puis enregistrer, dans ladite mémoire, une première ligne de contour délimitant une cellule nuageuse ;
une étape pour produire, puis enregistrer, dans ladite mémoire, une deuxième ligne de contour délimitant une zone d'influence de ladite cellule nuageuse par dilatation de ladite première ligne de contour ;
- une étape pour pour collecter et inscrire, dans la mémoire de données, des coordonnées polaires pour toute source électromagnétique détectée par le dispositif interférométrique;
une étape pour tester l'appartenance d'une telle source électromagnétique à la cellule nuageuse délimitée par ladite première ligne de contour ; une étape pour estimer un niveau de maturité d'une telle cellule nuageuse si ladite cellule nuageuse comprend ladite source électromagnétique ;
une étape pour délivrer par une interface hommemachine une représentation numérique d'un tel niveau de maturité.
En variante ou en complément, un procédé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention peut comporter en outre une étape pour produire, puis enregistrer dans ladite mémoire, une deuxième ligne de contour délimitant une zone d'influence de ladite cellule nuageuse par dilatation de ladite première ligne de contour. Selon cet exemple de réalisation avantageux mais non limitatif, l'étape pour tester l'appartenance de la source électromagnétique peut consister en outre à tester son appartenance à la zone d'influence de la cellule nuageuse délimitée par ladite deuxième ligne de contour et pour 1' étape pour estimer un niveau de maturité d'une telle cellule nuageuse peut être mise en œuvre si la zone d'influence de celle-ci comprend ladite source électromagnétique.
A titre d'exemple de réalisation préféré, l'étape pour délivrer par une interface homme-machine une représentation numérique d'un tel niveau de maturité peut avantageusement consister à afficher un moyen pour localiser et indiquer graphiquement ladite cellule nuageuse au regard d'un référentiel géographique déterminé.
De manière préférée mais non limitative, un tel moyen peut consister en la superposition sur ledit référentiel géographique de ladite première ligne de contour délimitant la cellule nuageuse d'une couleur déterminée selon la valeur du niveau de maturité estimé de ladite cellule nuageuse.
Selon un deuxième objet, l'invention prévoit un système de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse, comportant une unité de traitement, un radar météorologique et un dispositif interférométrique coopérant chacun avec ladite unité de traitement. Pour délivrer une aide précieuse quant à la mise en œuvre d'actions préventives pertinentes contre les dangers de la foudre, ladite unité de traitement est agencée pour mettre en œuvre un procédé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention.
Pour réduire l'encombrement et les coûts induits par un tel système conforme à l'invention, et lui conférer de grandes capacités d'installation sur tout site, le dispositif interférométrique d'un tel système peut comporter deux modules d'antenne, chaque module d'antenne comprenant deux éléments conducteurs, un réflecteur plan présentant une première face et une deuxième face, lesdites premières faces des réflecteurs plans desdits modules d'antenne coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs desdits modules d'antenne au moyen d'éléments diélectriques, les deux modules d'antenne étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces de leurs réflecteurs plans forment un angle saillant, lesdits réflecteurs plans étant respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
De manière particulièrement avantageuse, les éléments conducteurs de chaque module d'antenne du dispositif interférométrique peuvent être des dipôles ou des surfaces conductrices quadrilatères. De la même manière, le réflecteur plan de chaque module d'antenne du dispositif interférométrique peut être constitué d'un maillage métallique.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif interférométrique peut comporter quatre modules d'antenne, chaque module d'antenne comprenant deux éléments conducteurs, un réflecteur plan présentant une première face et une deuxième face, lesdites premières faces des réflecteurs plans desdits modules d'antenne coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs desdits modules d'antenne au moyen d'éléments diélectrique, les quatre modules d'antenne étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces de leurs réflecteurs plans forment deux à deux un angle égale sensiblement à quatre-vingt-dix degrés, lesdits réflecteurs plans étant respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent parmi lesquelles :
- la figure 1, précédemment décrite, illustre un exemple de réalisation d'un système de détection de foudre connu ;
- la figure 2 illustre une vue schématisée d'un mode de réalisation d'un système conforme à l'invention ;
- les figures 3A, 3B, 3C et 3D présentent des vues schématiques respectives d'exemples de réalisation non limitatifs d'un interféromètre d'un système conforme à l'invention ;
- la figure 4 décrit un exemple non limitatif d'un procédé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse mis en œuvre par un système conforme à l'invention ;
- les figures 5A et 5B décrivent respectivement deux exemples, à des instants distincts, d'une représentation numérique d'un niveau de maturité de d'une ou plusieurs cellules nuageuses, ces dernières étant localisées et indiquées graphiquement au regard d'un référentiel géographique déterminé.
Au sens de l'invention et dans tout le document, on entend par « source électromagnétique », également qualifiée de « source radioélectrique », toute source ou plus généralement tout élément capable d'émettre un champ électromagnétique, un tel champ électromagnétique comprenant une ou plusieurs ondes électromagnétiques. L'onde électromagnétique la plus connue reste à ce jour l'onde lumineuse. De telles sources électromagnétiques, et plus généralement de tels champs électromagnétiques, peuvent avantageusement être d'origine naturelle, comme par exemple ceux à l'origine des éclairs ou de la foudre, ou créés par l'activité humaine, comme par exemple ceux à l'origine de rayons X utilisés en radiographie. Plus précisément, un éclair est constitué d'une pluralité de sources électromagnétiques regroupés en des filaments (également connus sous la terminologie anglo-saxonne « bursts »)., de tels filaments constituant eux-mêmes un éclair. L'invention sera décrite au travers d'un exemple d'application préféré mais non limitatif dans lequel la source électromagnétique consiste en la foudre ou encore en un ou plusieurs éclairs. A des fins de simplification, dans tout le document, on utilisera indistinctement les expressions « éclair » et « foudre » pour définir le phénomène électrostatique observé par un système conforme à 1'invention.
Au sens de l'invention également, on entend par « interférométrie », toute méthode de mesure permettant de détecter une source et/ou un champ électromagnétiques tels que précédemment mentionnées, exploitant la différence de phase d'une onde électromagnétique cohérente, la phase étant alors mesurée par deux récepteurs en deux points distincts, permettant ainsi d'évaluer le déphasage. L'emploi de systèmes basés sur 1'interférométrie s'avère particulièrement astucieux, puisque les méthodes basées sur 1'interférométrie présente l'avantage de fonctionner indépendamment de la forme des ondes électromagnétiques rayonnées par la foudre ou les éclairs, augmentant la robustesse des systèmes au regard des déformations que peuvent subir lesdites ondes. La précision de la localisation d'une source électromagnétique se trouve ainsi non tributaire de l'environnement et/ou de la distance séparant le système du ou des éclairs. En outre, de tels systèmes basés sur 1'interférométrie s'avèrent particulièrement efficaces pour un nombre important de sources électromagnétiques à observer et permettent ainsi d'obtenir des informations en temps réel, contrairement aux systèmes basés sur des techniques de ToA. En effet, les technologies ToA imposent d'avoir des connaissances a priori sur des formes des ondes électromagnétiques à observer et sont limitées dans leur usage par les distances entre les capteurs composant un système d'étude, puisque les mesures de temps d'arrivée sont limitées par le temps de parcours des distances entre capteurs d'un même système. Selon les capteurs, l'ordre des ondes électromagnétiques peut être éventuellement inversé ou changé, impactant directement les mesures et par conséquence la localisation des ondes électromagnétiques.
Comme évoqué précédemment, le principe de 1' interférométrie consiste principalement en le calcul de la direction d'une source électromagnétique par la mesure du déphasage d'une ou plusieurs ondes électromagnétiques provenant de la même source lors de leur propagation, la mesure étant réalisée au moyen d'un ou plusieurs éléments conducteurs. L'équation définissant tout détection ou mesure effectuée/réalisée par un élément conducteur ou dipôle d'un système interférométrique, composé d'au moins deux éléments conducteurs ou dipôles, est donnée par la formule suivante : <5Φ = 2π—sinÆcosç) , où :
Λ φ est l'élévation, c'est-à-dire l'angle entre un plan horizontal défini par le sol et la direction de direction de la source électromagnétique ;
l est la distance entre deux éléments conducteurs ;
λ est la longueur d'onde ;
Θ est l'azimut, c'est-à-dire l'angle dans le plan horizontal entre la direction de la source magnétique et une direction de référence ;
Φ est le déphasage, c'est-à-dire la différence de phases à un même instant déterminé entre deux signaux décrivant l'onde électromagnétique per deux éléments conducteurs.
Une telle équation met en évidence une relation entre ledit déphasage Φ d'une onde électromagnétique et l'azimut Θ et l'élévation φ, permettant de localiser la source électromagnétique. Lorsque deux modules d'antenne, chacun à deux éléments conducteurs, d'un système interférométrique sont combinés selon deux orientations différentes, un système à deux équations indépendantes est alors obtenu. En fonction des phases ou déphasages mesurés par les éléments conducteurs dudit système interférométrique, dont la résolution du système à deux équations permet alors de déterminer l'azimut Θ et l'élévation φ , et finalement la localisation de l'onde électromagnétique. Aussi, la précision d'une telle localisation est uniquement fonction de la précision de la mesure de déphasage, la précision d'une telle mesure de phase dépendant uniquement du niveau de signal relatif à l'onde électromagnétique reçu et du temps d'intégration, c'est-à-dire la période de temps durant laquelle le récepteur doit être exposé à l'onde électromagnétique ou encore la période de temps de comparaison des phases respectives des deux signaux provenant de deux éléments conducteurs, permettant ainsi de réduire, voire de supprimer le bruit de mesure, en l'espèce entre une dizaine à quelques centaines de microsecondes.
Dans le cadre de l'invention, un tel système basé sur 1 ' interférométrie sera préférentiellement mais non limitativement employé pour détecter une ou plusieurs sources électromagnétiques, en l'espèce dans le cadre de la détection de foudre, un ou plusieurs éclairs. Un tel interféromètre délivre notamment des coordonnées polaires d'une source électromagnétique identifiée, en l'espèce un azimut et une élévation.
Au sens de l'invention dans tout le document, on entend par « module d'antenne », tout élément, objet ou dispositif, généralement métallique et/ou conducteur d'électricité, apte à capter ou détecter une ou plusieurs ondes électromagnétiques dans l'espace. Un tel module d'antenne est ainsi considéré comme un élément juxtaposable ou combinable à d'autres éléments de même nature ou concourant à une même fonction, c'est-à-dire à un ou plusieurs autres modules d'antenne, aptes à détecter une ou plusieurs ondes électromagnétiques, permettant de résoudre l'équation d'interférométrie et localiser un éclair. Comme d'ores et déjà mentionné, pour assurer la détection d'une onde électromagnétique d'une source électromagnétique par interférométrie, au moins deux modules d'antennes sont nécessaires.
Au sens de l'invention et dans tout le document, on entend par « élément conducteur », tout objet constitué principalement d'un corps, généralement mais non limitativement un métal, par exemple l'aluminium ou le cuivre, dont les caractéristiques physico-chimiques permettent le passage d'un courant électrique, un tel objet étant destiné à recevoir tout ou partie de l'énergie électromagnétique émise par un éclair, plus généralement par de la foudre ou une source rayonnante. De tels éléments conducteurs sont avantageusement récepteurs et peuvent être ainsi qualifiés d'éléments conducteurs passifs.
Par ailleurs, au sens de l'invention et dans tout le document, on entend également par « radar météorologique » un type de radar utilisé en météorologie pour repérer des hydrométéores et calculer leurs déplacements. Pour réduire les coûts, un tel radar sera préférentiellement de type 2D et apte à délivrer la distance le séparant d'une cellule nuageuse et un azimut. Nous pouvons donc considérer qu'un tel radar météorologique délivre notamment des coordonnées polaires, en l'espèce une distance et un azimut d'un point pour lequel la réflectivité d'impulsion est forte, convertibles aisément en coordonnées cartésiennes dans un référentiel cartésien, voire plus généralement, un ensemble de points caractéristiques définissant une polyligne délimitant une cellule nuageuse, ladite polyligne capturant une zone ou étendue géographique au regard d'un référentiel selon laquelle la réflectivité des impulsion délivrées par le radar est supérieure à un seuil déterminé.
Selon un mode de réalisation non limitatif décrit en lien avec la figure 2, un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention comporte d'une part un interféromètre 10 et un radar météorologique 20. Préférentiellement, afin de réduire les coûts d'un tel équipement, un tel radar météorologique sera du type dit « 2D ». L'interféromètre 10 et le radar 20 coopèrent avec une entité électronique 30 éventuellement distante, par exemple sous la forme non exclusive d'un ordinateur personnel, au moyen d'une liaison ou de liaisons respectives, filaires ou sans fil. Dans le cadre d'une liaison sans fil, 1'interféromètre 10 ou le radar 20 pourra mettre en œuvre une technique telle que le Wi-Fi, selon les normes du groupe IEEE 802.11 permettant de relier par ondes radio plusieurs appareils informatiques, tels qu'un ordinateur, un routeur, un téléphone intelligent, etc. au sein d'un réseau informatique, par ondes radio, entre objets à faible consommation électrique, ou toute autre technologie équivalente.
Ladite entité électronique 30 comporte avantageusement une unité de traitement 31, sous la forme d'un ou plusieurs microprocesseurs ou microcontrôleurs. De tels moyens électroniques sont notamment agencés pour exécuter ou interpréter des instructions d'un programme d'ordinateur qui, lorsqu'elles sont préalablement chargées dans une mémoire de programmes 32, ladite mémoire 32 coopérant avec, ou faisant partie de, ladite unité de traitement 31, puis exécutées ou interprétées par cette dernière, provoquent la mise en œuvre d'un procédé déterminé. En l'espèce, l'invention concerne en outre un procédé déterminé d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse, mis en œuvre par une telle unité de traitement d'un système 1. Un exemple non limitatif d'un tel procédé 100 sera décrit ultérieurement en liaison avec la figure 4. En variante ou en complément, un programme d'ordinateur comportant lesdites instructions pourra être véhiculé et/ou stocké par tous média adaptés, tels que des supports consistant en, ou comportant, une mémoire non volatile.
Pour fonctionner, un système 1 de détection d'activité électromagnétique selon l'invention comporte en outre une mémoire de données 33, consistant en une ou plusieurs mémoires volatiles et/ou non volatiles, pour tout ou partie, physiquement distantes, voire, en variante, comprises au sein de l'unité de traitement 31. Ladite mémoire 33 est notamment agencée et organisée pour héberger des données II et IR produites respectivement par 1 ' interféromètre 10 et le radar 20. Elle sera également le site de toutes autres données encodant, par exemple, une représentation numérique d'un niveau de maturité d'une cellule nuageuse N, une représentation numérique d'un référentiel sous la forme d'une carte géographique décrivant un lieu, etc. Pour pouvoir délivrer, c'est-àdire sortir et rendre perceptible par 1'Humain U, de telles données produites par l'unité de traitement 31, un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention comporte une interface homme-machine 40, sous la forme, par exemple, d'un ou plusieurs écrans d'ordinateur, haut-parleurs et/ou tous autres moyens permettant de restituer un contenu multimédia sous une forme graphique et/ou sonore.
Les figures 3A à 3D illustrent des modes de réalisation particulièrement avantageux d'un interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique tel que présenté en lien avec la figure 2.
En effet, l'un des objectifs de l'invention est de proposer un système 1 de détection d'activité électromagnétique, pour notamment localiser une source électromagnétique par interférométrie, comportant au moins deux modules d'antenne, ledit système présentant alors un diagramme d'émission directionnelle permettant ainsi de s'affranchir du ou des infrastructures, ou plus généralement de supports, sur lesquels sont installés de tels modules d'antenne et/ou de s'affranchir du couplage entre les différents modules d'antenne. Un tel couplage entre les modules d'antenne, plus particulièrement les éléments conducteurs, impose une calibration systématique du système de détection, ledit système étant très sensible à des variations mécaniques. En outre, l'invention permet également d'offrir un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie, comportant au moins deux modules d'antenne, les dipôles dudit interféromètre 10 étant positionnés dans un même plan horizontal sensiblement parallèles au sol, permettant ainsi de s'affranchir d'éventuelles réflexions de sol.
Pour ce faire, chaque module d'antenne 5 d'un interféromètre 10 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention comprend également un réflecteur 6. Au sens de l'invention et dans tout le document, on entend par « réflecteur », tout appareil apte à réfléchir une ou plusieurs ondes électromagnétiques. Dans certains cas, un tel réflecteur peut être chargé de concentrer la ou les ondes électromagnétiques reçues vers les éléments conducteurs. Selon l'invention, un tel plan réflecteur est préférentiellement mais non limitativement plan. Conformément à différents modes réalisation de modules d'antenne décrits en lien avec les figures 3A à 3D, un tel réflecteur plan 6 présente avantageusement une première face 61 et une deuxième face 611. La définition de telles première et deuxième faces 61 et 611 permet notamment et avantageusement le positionnement de chaque module d'antenne au sein du système selon des distances déterminées, de l'ordre de quelques centimètres, voire de quelques mètres, à quelques dizaines de mètres, afin, comme mentionné précédemment, de s'affranchir des contraintes liées à l'installation des modules d'antenne, au couplage des éléments conducteurs entre lesdits modules d'antenne et/ou des réflexions au sol des ondes électromagnétiques.
Par ailleurs, en complément, selon un exemple de réalisation préféré mais non limitatif (non représenté sur les figures à des fins de simplification) d'un interféromètre d'un système de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, le réflecteur plan 6 de chaque module d'antenne 5 de ce dernier peut être constitué d'un maillage métallique. L'emploi d'un réflecteur plan sous la forme d'un maillage métallique s'avère particulièrement avantageux, puisqu'un tel réflecteur s'avère relativement léger, peu cher et possède une prise au vent minimale, lesdits modules d'antenne étant généralement installés en extérieur et ainsi sujet à d'éventuelles contraintes météorologiques. Préférentiellement mais non limitativement, un tel maillage métallique peut présenter un réseau ou une maille dont les dimensions sont dix fois inférieures à la longueur d'onde, pour assurer notamment l'isolation des éléments conducteurs. L'invention ne saurait toutefois être limitée à l'emploi d'un agencement, d'une structure et/ou d'une composition d'un réflecteur spécifiques. Le choix d'un agencement, d'une structure et/ou d'une composition particuliers d'un réflecteur 6 au regard d'un autre agencement, d'une autre structure et/ou d'une autre composition pourra dépendre, avantageusement mais non limitativement, de la source électromagnétique à localiser ou encore plus largement de la position ou du lieu d'implantation d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conformément à l'invention, afin notamment de réduire encore les coûts de fabrication, d'installation et/ou de maintenance d'un tel système 1.
Les figures 3A, 3B, 3C et 3D présentent des vues schématiques respectives d'exemples de réalisation non limitatifs de modules d'antenne d'un interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention.
La figure 3A présente un premier exemple de réalisation d'un module d'antenne 5 d'un tel interféromètre 10 d'un système de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention. Selon cet exemple de réalisation avantageux, les deux éléments conducteurs 2 de chaque module d'antenne 5 peuvent consister respectivement en des dipôles. Au sens de l'invention et dans tout le document, on entend par « dipôle », tout élément ou objet récepteur constitué de deux brins métalliques, alimenté en son milieu 2m, c'està-dire entre de tels deux brins, et destiné à recevoir tout ou partie de l'énergie électromagnétique émise par un éclair ou plus généralement par la foudre. L'emploi d'éléments conducteurs sous la forme de dipôles s'avère particulièrement astucieux, puisque de tels dipôles sont couramment utilisés, donc peu chers, et qui plus est, faciles à mettre en œuvre et peu sensibles au couplage entre éléments conducteurs. Selon la figure 3A, de tels dipôles coplanaires peuvent avantageusement présenter une forme sensiblement en trombone (également connu sous la terminologie anglo-saxonne « folded dipole ») Des dipôles présentant une telle forme en trombone offre un certain nombre d'avantages : tout d'abord, les dipôles, à la masse, ne possèdent pas d'accumulation d'effet capacitif et ne requièrent pas d'être déchargés. En outre, de tels dipôles présentent une meilleure résistance mécanique, offrant ainsi une installation pérenne dans le temps. Selon un exemple préféré mais non limitatif, lorsque les éléments conducteurs sont sous la forme de dipôles, à l'instar de l'exemple décrit en lien avec la figure 3A, et lorsque la bande d'exploitation des modules d'antenne d'un système 1 conforme à l'invention, est de l'ordre de 332 mégahertz, les deux éléments conducteurs 2 et le plan réflecteur d'un module d'antenne 5 d'un système 1 conforme à l'invention peuvent avantageusement être séparés d'une distance sensiblement comprise entre dix et cinquante centimètres, préférentiellement vingt centimètres.
En variante, la figure 3B présente un deuxième exemple de réalisation d'un module d'antenne 5 d'un interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention. Selon cet exemple de réalisation avantageux, les deux éléments conducteurs 2 de chaque module d'antenne 5 peuvent respectivement présenter des surfaces conductrices quadrilatères. Selon ce mode de réalisation avantageux, un tel module d'antenne 5 comportant deux éléments conducteurs 2 présentant des surfaces conductrices quadrilatères est assimilé à une antenne planaire, également qualifiée d'antenne patch selon une terminologie anglo-saxonne. Selon ce mode de réalisation, le réflecteur plan peut également être conducteur. L'emploi de tels modules d'antenne sous la forme d'antennes planaires s'avère particulièrement avantageux, puisque de tels modules d'antenne, de par leur conception très simple, s'avèrent très aisés à produire industriellement. En outre, ils peuvent être utilisés seuls ou comme élément d'un réseau, en l'espèce un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention. Enfin, lesdits modules d'antenne sous la forme d'antennes planaires présentent un encombrement réduit au regard d'autres modules d'antennes, permettant ainsi des manipulations et installations aisées, ainsi qu'une intégration aisée contre une structure existante, tel qu'un immeuble. De tels modules d'antennes sous la forme d'antennes planaires, tout comme les antennes à dipôles, ont une fréquence de résonance spécifique. Toutefois, lesdites antennes planaires présentent l'avantage de pouvoir résonner à différentes fréquences, comme par exemple trois cents mégahertz et/ou mille quatre cents mégahertz. De tels modules d'antennes qualifiés de multi fréquentiels permettent de combiner un réseau ambigu et non-ambigu et ainsi d'augmenter la précision des mesures et d'accéder à une localisation en trois dimensions, même à faible élévation.
L'invention ne saurait toutefois être limitée à l'emploi d'un agencement ou d'une structure d'élément conducteur spécifique pour la réalisation d'un module d'antenne. Le choix d'un agencement ou d'une structure particulier d'élément conducteur au regard d'un autre agencement ou structure pourra dépendre, avantageusement mais non limitativement, de l'altitude ou de la trajectoire de la source électromagnétique à observer et/ou localiser ou encore plus largement de la position ou du lieu d'implantation d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention afin notamment de réduire encore les coûts de fabrication, d'installation et/ou de maintenance d'un tel système. En outre, comme d'ores et déjà mentionné, l'invention ne saurait être limitée au nombre d'éléments conducteurs présents au sein de chaque module d'antenne. Conformément à un troisième exemple de réalisation non limitatif d'un module d'antenne d'un interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention décrit en lien avec la figure 3C, un module d'antenne de ce dernier peut comprendre plus de deux éléments conducteurs 2, en l'espèce six éléments conducteurs 2. L'emploi d'un nombre important d'éléments conducteurs au sein d'un module d'antenne permet d'affiner la résolution angulaire du module d'antenne et ainsi d'accroître la portée et la précision d'un tel module.
Afin d'assurer une cohésion des éléments constituant les modules d'antennes d'un interféromètre 10 d'un système de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, en l'espèce, pour chaque module d'antenne un réflecteur plan et au moins deux éléments conducteurs, les premières faces 6i des réflecteurs plans 6 desdits modules d'antenne 5 coopèrent respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs 2 desdits modules d'antenne 5. Une telle coopération entre la première face 6i d'un réflecteur plan 6 et les deux éléments conducteurs peut être matérialisée par toute liaison mécanique adaptée, préférentiellement de type encastrement, avantageusement permanente ou éventuellement réversible. Une telle liaison encastrement peut être réalisée par tous moyens de fixation adaptés, ladite première face 6i d'un réflecteur plan 6 et les deux éléments conducteurs 2 étant mutuellement agencés pour assurer leur assemblage. A titre d'exemple non limitatif, lorsque les éléments conducteurs se présentent sous la forme de dipôles 2, de tels dipôles peuvent être maintenus parallèles au réflecteur 6 au moyen de mâts respectifs rectilignes décrivant une association en « V », dont la base coopère sans degré de liberté avec le réflecteur. L'invention ne saurait toutefois être limitée à ce seul exemple de réalisation. En variante, selon les figures 3B et 3C notamment, l'invention prévoit que la première face 6i d'un réflecteur plan 6 et les deux éléments conducteurs 2 d'un interféromètre 10 d'un système conforme à l'invention puissent former ou consister en une seule et même entité physique.
En variante ou en complément, l'invention prévoit que les deux éléments conducteurs 2 et le réflecteur plan 6, plus particulièrement sa première face 61, de chaque module d'antenne 5 d'un interf éromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention puissent coopérer, directement ou indirectement, au moyen d'un élément diélectrique 8. L'emploi d'un tel élément diélectrique s'avère particulièrement avantageux, puisqu'un tel élément diélectrique ne conduit pas l'électricité et permet ainsi d'isoler les éléments conducteurs de la première face 61 du réflecteur, afin gu'ils puissent assurer pleinement leur fonction. Dans le cadre d'un exemple de réalisation d'un module d'antenne sous la forme d'une antenne planaire, tel que décrit notamment en lien avec les figures 3B et 3C, les deux éléments conducteurs 2 et le réflecteur plan 6 d'un tel module d'antenne 5 sont avantageusement et respectivement séparés par une lame diélectrique, ladite lame diélectrique pouvant être constituée principalement d'une résine époxy.
Afin de s'affranchir du ou des infrastructures ou plus généralement supports sur lesquels sont installés de tels modules d'antenne et/ou de s'affranchir du couplage entre les différents modules d'antenne de 1'interféromètre 10 d'un système 1 pour de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, tel que celui décrit en lien avec la figure 3D, les deux modules d'antenne 5 de ce dernier sont avantageusement dissociés, c'est-à-dire préférentiellement mais non limitativement séparés de quelques centimètres, voire de quelques mètres à quelques dizaines de mètres, et mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces 611 de leurs réflecteurs plans 6 forment un angle a saillant, c'est-à-dire un angle compris entre zéro et cent quatre-vingt degrés. Grâce à un tel angle saillant, les éléments conducteurs 2 de 1'interféromètre 10 dudit système 1 de détection d'activité électromagnétique sont agencés de telle sorte qu'ils n'interfèrent pas l'un sur l'autre contrairement au système d'antenne décrit en lien avec la figure 1. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, les deuxièmes faces 611 des réflecteurs plans 6 respectifs des deux modules d'antenne d'un système 1 conforme à l'invention peuvent former un angle a sensiblement égal à quatre-vingt-dix degrés, garantissant ainsi une meilleure résolution et précision pour finalement localiser et/ou détecter une ou plusieurs sources électromagnétiques.
Afin de s'affranchir également d'éventuelles réflexions de sol ou encore des infrastructures sur lesquelles 1'interféromètre d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention est installé, les réflecteurs plans 6 d'un tel système 1 peuvent être respectivement orientés pour être
| sensiblement | verticaux. Par | ailleurs, en | variante ou en | ||
| complément, | touj ours | pour | s'affranchir | d'éventuelles | |
| réflexions | au sol, | les | réflecteurs | plans 6 | de |
| 1'interféromètre 10 | d'un | tel système 1 | peuvent | être | |
| respectivement et | également orientés | pour | être | ||
| sensiblement | alignés | sur une même ligne | d'horizon | . En |
outre, les éléments conducteurs de 1'interféromètre 10 dudit système 1 de détection d'activité électromagnétique peuvent également être alignés dans un même plan horizontal sensiblement parallèle au sol, pour éviter notamment des échos de sol inhérents d'éventuelles réflexions d'une ou plusieurs ondes électromagnétiques sur le sol.
Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif de 1'interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, ledit interféromètre 10 peut comporter quatre modules d'antenne 5, lesdits modules d'antenne 5 étant également eux-mêmes dissociés physiquement les uns des autres. A l'instar du premier mode de réalisation de 1'interféromètre 10 d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, chaque module d'antenne 5 peut comprendre deux éléments conducteurs 2, aptes à mesurer un déphasage. De tels éléments conducteurs 2 peuvent également et respectivement consister en des dipôles ou présenter des surfaces conductrices quadrilatères. Chaque module d'antenne du système de détection comprend en outre un réflecteur plan 6 présentant une première face 61 et une deuxième face 611, lesdites premières faces 61 des réflecteurs plans 6 desdits modules d'antenne 5 coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs 2 desdits modules d'antenne 5, éventuellement au moyen d'un élément diélectrique. Les quatre modules d'antenne 5 peuvent être mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces 611 de leurs réflecteurs plans 6 forment deux à deux un angle a sensiblement de quatre-vingt-dix degrés. Disposés de cette manière, les quatre modules d'antenne d'un interféromètre 10 d'un système 1 conforme à l'invention peuvent alors balayer une zone de recouvrement de trois cent soixante degrés. Une telle configuration permet non seulement de s'affranchir du ou des infrastructures ou plus généralement supports sur lesquels sont installés de tels modules d'antenne et/ou de s'affranchir du couplage entre les différents modules d'antenne, mais également d'assurer une zone de recouvrement la plus large possible pour pouvoir détecter une source électromagnétique, augmentant finalement la sensibilité du système.
Enfin, l'invention prévoit que chaque module d'antenne de 1'interféromètre 10 du système 1 puisse être dimensionné, afin de pouvoir utiliser plusieurs bandes de fréquences. Préférentiellement mais non limitativement, chaque module d'antenne 5 d'un interféromètre 10 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique conforme à l'invention est agencé pour détecter une source électromagnétique produisant une onde électromagnétique dont la bande de fréquences est sélectionnée parmi l'ensemble de bandes de fréquences suivant : entre 111 et 117 mégahertz, entre 328,6 et 335,4 mégahertz ou encore entre 1400 et 1427 mégahertz. Plus la bande de fréquences exploitée est élevée, plus l'encombrement de chaque module d'antenne est diminué. En outre, plus la bande de fréquences est large, plus le niveau de bruit est faible. L'emploi d'une bande de fréquences de détection comprise entre 111 et 117 mégahertz s'avère particulièrement avantageux, puisque plus la bande spectrale observée est basse, plus l'onde électromagnétique rayonne et meilleur est le signal. Toutefois, une telle bande de fréquences de détection comprise entre 111 et 117 mégahertz présente l'inconvénient d'être proche des bandes d'émission et de réception de radios EM, c'est-à-dire émettant en modulation de fréquences), limitant alors les plages de détection. L'emploi d'une bande de fréquences de détection comprise entre 328,6 et 335,4 mégahertz ou encore entre
1400 et 1427 mégahertz s'avère particulièrement avantageux, puisque lesdites bandes de fréquences en émission sont très restreintes, voire même interdites, limitant ainsi les bruits ou pollution. En outre, de telles bandes de fréquences présentent une couverture mondiale.
Selon un exemple de réalisation non limitatif, à l'exception du couplage entre les éléments conducteurs de chaque module d'antenne, un tel module d'antenne peut être constitué de deux éléments conducteurs, préférentiellement séparés d'une distance d'environ une demi-longueur d'onde, chaque élément conducteur présentant des dimensions inférieures à une demi-longueur d'onde. Selon différentes variantes de réalisation :
pour une fréquence de réception de trois cent mégahertz, la longueur d'onde est sensiblement égale à un mètre. Les éléments conducteurs de chaque module sont alors sensiblement positionnés à cinquante centimètres l'un de l'autre. De par l'existence de terme de couplage, les éléments conducteurs de chaque module sont alors sensiblement positionnés à cinquante centimètres l'un de l'autre.
pour une fréquence de réception de mille cinq cent mégahertz, la longueur d'onde est sensiblement égale à vingt centimètres. Les éléments conducteurs de chaque module sont alors sensiblement positionnés à dix centimètres l'un de l'autre.
pour une fréquence de réception de mille sept cent mégahertz, la longueur d'onde est sensiblement égale à dix-sept centimètres. Les éléments conducteurs de chaque module sont alors sensiblement positionnés à huit centimètres l'un de l'autre.
Toutefois, le dimensionnement et/ou le réglage de chaque module d'antenne d'un interféromètre d'un système conforme à l'invention ne saurait être limitée aux bandes de fréquences sélectionnées pour une telle détection. Un tel dimensionnement et/ou un tel réglage de chaque module d'antenne peut également dépendre de l'excursion de phase, dépendant également des effets de couplage, du diagramme d'émission de chaque module d'antenne, correspondant à un lobe directionnel et/ou d'éventuelles ondulations de phase, dépendant elles-mêmes de la fréquence.
Par ailleurs, un système de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse conforme à l'invention, tel que le système 1 décrit en lien avec la figure 2, peut comprendre d'autres accessoires ou compléments techniques non représentés en figure 2 par mesure de simplification. A titre d'exemples non limitatifs, de tels équipements complémentaires peuvent favoriser ou faciliter un maintien des modules d'antenne du radar et/ou de 1'interféromètre sur différents supports ou infrastructures, paramétrer, étalonner et/ou ajuster les mesures ce derniers. De tels accessoires peuvent être, à titre d'exemples non limitatifs, choisis parmi un ou plusieurs préamplificateurs, filtres, amplificateurs et/ou numériseurs.
La figure 4 illustre un mode de réalisation simplifié d'un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention. Au sens de l'invention et dans tout le document, la notion de « maturité » d'une cellule nuageuse ou d'un orage s'entend comme décrivant, plus précisément, à l'instar de ce que préconise la norme européenne EN 50536, l'une des phases caractéristiques d'un orage durant son cycle de vie.
Ainsi, un tel orage débute par une première phase de formation, encore appelée « phase initiale », durant laquelle une cellule nuageuse commence à se former et des charges électrostatiques se séparent et se répartissent au sein du nuage. Un champ électrostatique croissant peut être détectable et mesurable depuis le sol. Un tel champ peut atteindre, à titre indicatif, quelques kV/m.
Une deuxième phase subséquente dite de « croissance » correspond au développement de l'orage. Cette deuxième phase est caractérisée par l'apparition de premières micro-décharges à l'intérieur de la cellule nuageuse. Il en découle une activité naissante de la foudre intra-nuage. Des premiers éclairs intra-nuages se forment, produisant alors un rayonnement de type radiofréquences dans le haut du spectre, c'est-à-dire de très hautes fréquences ou VHF, voire ultra hautes fréquences UHF (« Very High Frequency / Ultra High Frequency » selon des terminologies anglosaxonnes) .
S'en suit une troisième phase dite de « maturité » de l'orage. Durant cette troisième phase, le phénomène de convection parvient à son paroxysme dans la cellule nuageuse. Les hydrométéores sont entraînées vers le sommet de la cellule nuageuse induisant la formation de grêlons. Une telle phase de maturité peut en outre être matérialisée par une accélération du rythme des éclairs intra-nuages (également connue sous la terminologie anglo-saxonne « lightning jump ») . Les premiers éclairs vers le sol apparaissent, ainsi qu'entre différentes poches de charges dans le nuage. Le rayonnement de type radiofréquence se situe à présent dans le bas du spectre, c'est-à-dire les basses ou très basses fréquences, notamment du fait de la présence d'éclairs vers le sol. Le champ électrostatique sous la cellule nuageuse est à son paroxysme, généralement de l'ordre de quelques dizaines de kV/m.
Le cycle de vie d'un orage se termine par une quatrième étape dite « d'effondrement » durant laquelle, l'énergie potentielle régnant à l'intérieur de la cellule nuageuse devient supérieure à l'énergie cinétique des ascendances. La grêle préalablement formée durant la phase de maturité, tombe sous forme de précipitations, parfois très intense. Dans le même temps, l'activité électrique décroît progressivement dans toutes les bandes de fréquence précédemment évoquées.
La troisième phase dite de maturité est essentielle pour appréhender le risque lié à un orage. Or, comme décrit précédemment, localiser précisément une telle cellule nuageuse arrivée à maturité n'est pas aisément détectable à l'heure actuelle avec les méthodes connues.
En liaison avec les figures 2 et 4, le procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse comporte ainsi des premières étapes 110 et 120 pour respectivement collecter des informations produites par 1'interféromètre 10 et le radar météorologique 20. Ces deux étapes 110 et 120 peuvent être mises en œuvre successivement ou en parallèle, selon une périodicité commune, ou selon des périodes propres.
Considérons dans un premier temps l'étape 120. Celleci consiste à collecter et à enregistrer dans une mémoire de données 33 de l'unité de traitement 31, une représentation numérique IR de la réflectivité d'hydrométéores au sein de l'environnement capturable par ledit radar météorologique 20. Outre des informations en lien avec la densité d'une cellule nuageuse découlant de ladite réflectivité mesurée, une telle représentation numérique IR consiste principalement en la collecte de coordonnées cartésiennes de telles hydrométéores traduisant ainsi chacune une distance et un azimut desdits hydrométéores au regard du positionnement du radar météorologique 20. Ainsi, après une phase de balayage dudit radar météorologique 20, c'est-à-dire après émission d'une ou plusieurs ondes électromagnétiques et réflexion de ces dernières par une ou plusieurs hydrométéores, celui-ci délivre une représentation IR, avantageusement de type matriciel ou sous la forme d'un tableau, pour laquelle chaque élément ou pixel, si on considère ladite représentation IR sous la forme d'une image, traduit une réflectivité d'hydrométéores détectée et pour laquelle la ligne et la colonne désignant ledit pixel correspondent à des coordonnées cartésiennes dans un plan sensiblement horizontal au sol. Pour considérer une telle représentation IR sous la forme d'une image et éventuellement l'afficher à l'aide de l'interface hommemachine 40, il suffit de normaliser chaque mesure de réflectivité collectée à l'aide d'une valeur comprise, entre 0 et 255 par exemple, pour une image en niveau de gris selon laquelle la valeur Ό' traduit une très faible réflectivité, voire une absence totale d'hydrométéores, la valeur '255' traduisant quant à elle une réflectivité maximale déterminée. En variante, un pixel peut être associé à un triplet de valeurs, chacune comprise par exemple entre 0 et 255 associée à une composante d'un référentiel RVB (pour Rouge, Vert, Bleu) pour disposer d'une image en couleurs. Ladite représentation numérique IR peut également être associée à, ou comporter, un champ encodant une datation et/ou un horodatage courant(s).
Un tel procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse peut alors comporter une étape subséquente 121 pour segmenter ladite représentation numérique IR et produire, puis enregistrer dans ladite mémoire de données 33, une première ligne de contour PLC délimitant une cellule nuageuse. Une telle étape de segmentation 121 peut consister à ne retenir, voire à constituer une deuxième représentation IR', ne comportant que des pixels d'intérêt, c'est-à-dire, des pixels traduisant une densité supérieure à un seuil prédéterminé. Un ensemble de pixels connexes, au sein de la représentation IR ou IR' décrivant une densité supérieure audit seuil décrit une projection au sol d'une cellule nuageuse. Ladite étape 121 peut alors consister à enregistrer, dans ladite mémoire de données 33, les points caractéristiques, ou encore parfois nommés « sommets », d'une courbe ou polyligne décrivant le périmètre ou le contour de ladite cellule nuageuse. Bien évidemment, si deux ou plusieurs autres ensembles de pixels connexes traduisant une densité supérieure ou égale audit seuil déterminé existent au sein d'une même représentation IR ou IR', l'étape 121 consiste à inscrire, dans ladite mémoire de données 33, autant de polylignes distinctes que de dits ensembles et donc que de cellules nuageuses capturées par le radar 20.
Un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention peut comporter en outre une étape 122 pour produire puis enregistrer, dans ladite mémoire de données 33, une deuxième ligne de contour ou polyligne PLI délimitant une zone d'influence pour chaque cellule nuageuse détectée. Cette deuxième ligne de contour PLI peut être créée automatiquement par l'unité de traitement 31 par dilatation de ladite première ligne de contour PLC, selon par exemple un coefficient de dilation positif et prédéterminé absolu ou relatif. Cette deuxième ligne de contour PLI décrit ainsi potentiellement la zone d'influence au sol d'une cellule nuageuse. En variante ou en complément, une telle étape 122 pour produire ladite deuxième ligne de contour peut exploiter d'autres paramètres, tels que, à titre d'exemples non limitatifs, la réflectivité, le gradient de réflectivité, la vitesse déplacement et/ou l'extension spatiale de la cellule nuageuse Selon un mode de réalisation particulier, les première et deuxième lignes PLC et PLI peuvent être confondues. En d'autres termes, l'étape 122 peut être facultative. Ainsi, que l'on dilate ou non la première ligne de contour PLC, un procédé 100 conforme à l'invention peut permettre une prise de décision en matière de risque lié à la foudre plus ou moins prudent et/ou sélectif.
Parallèlement, ou de manière préalable, voire subséquente, aux étapes 120, 121, voire 122, un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse selon l'invention comporte une étape 110 consistant à collecter, et inscrire dans la mémoire de données 33, des coordonnées polaires II pour toutes sources électromagnétiques détectées par le dispositif interférométrique 10.
De manière à estimer un degré de maturité d'une cellule nuageuse capturée par le radar météorologique 20, un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse selon l'invention comporte une étape 130 pour tester l'appartenance de sources électromagnétiques, dont les coordonnées polaires ont été enregistrées précédemment à l'étape 110, à la zone d'influence d'une cellule nuageuse délimitée par l'une des deuxièmes lignes de contour PLI enregistrée à l'étape 122, voire à ladite cellule nuageuse en tant que telle délimitée par la première ligne de contour PLC, si l'étape 122 n'est pas mise en œuvre. L'étape 130 peut donc être itérative pour tester une éventuelle inclusion de toute source électromagnétique détectée par 1'interféromètre 10 à toute cellule nuageuse capturée par le radar météorologique 20, voire à la zone d'influence associée. Pour mettre en œuvre un tel test d'appartenance, ladite étape 130 peut mettre en œuvre une opération de conversion de coordonnées polaires en coordonnées cartésiennes ou réciproquement, assortie d'une éventuelle approximation, consistant à considérer que toute cellule nuageuse capturée par ledit radar météorologique se situe dans la troposphère, c'est-à-dire plus précisément, entre trois et dix mille mètres d'altitude.
Dans le cas où aucune source électromagnétique n'est capturée par une ligne de contour PLC ou PLI, voire à l'inverse si aucune cellule nuageuse n'est capturée par ledit radar météorologique 20, situation illustrée par le lien 130n sur la figure 4, un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention est terminé, jusqu'à la mise en œuvre d'une itération subséquente. Dans le cas où une source électromagnétique est capturée par une ligne de contour PLC ou PLI, situation illustrée par le lien 130y sur la figure 4, un procédé 100 conforme à l'invention d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse comporte alors une étape 140 pour estimer un niveau de maturité de ladite cellule nuageuse.
Selon un premier mode de réalisation, une telle étape 140 peut consister à comparer le nombre de sources électromagnétiques détectées durant l'itération du procédé 100 courante, c'est-à-dire le nombre de coordonnées polaires obtenues à l'étape 110, de telles sources électromagnétiques, « capturées » ou enceintes par une ligne de contour PLC ou PLI d'une cellule nuageuse détectée à l'étape 120 par le radar météorologique et produite à l'étape 121 ou 122, à la valeur d'un seuil prédéterminé. En variante, une estimation de la maturité d'une telle cellule nuageuse peut consister en la mesure d'un taux d'accroissement soudain dudit nombre de sources électromagnétiques ainsi « capturées ». Pour cela, une telle étape 140 peut consister à comparer le nombre de sources électromagnétiques d'une cellule nuageuse détectées et capturées par un interféromètre 10 durant une ou plusieurs itérations précédentes du procédé 100. Ainsi, lorsqu'un tel nombre de sources atteint ledit seuil ou lorsque ledit nombre de sources varie brutalement, décrivant un accroissement soudain et significatif, au regard d'une itération précédente du procédé, l'étape 140 consiste à affecter à l'une des lignes de contour PLC ou PLI produite un attribut décrivant le degré de maturité de la cellule. La valeur d'un tel attribut est également enregistrée dans la mémoire de données 33 à l'étape 140. Ledit attribut peut être sous la forme d'un indicateur booléen dont une première valeur déterminée traduit une cellule nuageuse en phase initiale, voire de croissance, ou d'effondrement, et dont une deuxième valeur déterminée traduit une cellule nuageuse en phase de maturité. En variante, toute autre technique équivalente pourrait être exploitée pour estimer une telle maturité d'une cellule nuageuse et/ou pour encoder ladite maturité ou ladite absence de maturité sous la forme d'une donnée associée à ladite cellule nuageuse dans la mémoire de données 33.
A titre d'exemple, en variante ou en complément, l'étape 140 peut en outre consister à comparer la représentation numérique IR ou IR' délivrée par le radar météorologique 20 durant l'itération courante du procédé 100, au regard de celles obtenues lors d'itérations précédentes dudit procédé 100, afin de détecter une variation positive et soudaine de la réflectivité des hydrométéores d'une cellule nuageuse. En effet, l'électrisation d'un nuage découle principalement de collisions de gouttelettes d'eau avec des cristaux de glace ou du grésil. Lorsque lesdites collisions ont lieu à une température supérieure à environ -15°C, les cristaux de glace emportent une charge négative alors que lorsque la température est inférieure à environ -15°C, les charges emportées sont positives. La séparation ne peut avoir lieu que si un fort courant ascendant déplace les particules les plus fines, c'est-à-dire des cristaux, vers le sommet du nuage. La zone de mélange des phases correspond à ce que l'on appelle la bande brillante observée et/ou identifiée par un radar météorologique avec précision. Elle correspond à une réflectivité maximale. Par conséquent, selon cette variante, l'étape 140 consistant à exploiter conjointement les représentations II et IR pour estimer la maturité d'une cellule nuageuse peut consister à d'une part, identifier grâce à la représentation numérique IR produite par le radar 20 la zone de mélange de phases avec précision, eu égard à la valeur maximale de la réflectivité, et, d'autre part, à détecter l'apparition des premières sources électromagnétiques dont les coordonnées polaires II sont délivrées par 1'interféromètre 10, découlant de décharges électriques. Cette détection conjointe atteste de la présence d'un phénomène de forte convection dans la cellule nuageuse et donc de la dangerosité ou de la maturité de ladite cellule nuageuse.
Un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention peut dès lors comporter une étape 150 pour provoquer une restitution graphique et/ou sonore, par une interface homme-machine 40, sous la forme d'un ou plusieurs écrans et/ou hautparleurs par exemple, d'une représentation numérique d'un tel niveau de maturité de chaque cellule nuageuse capturée par le radar 20 lors d'une itération dudit procédé 100. A titre d'exemple préféré, une telle étape 150 peut consister à afficher un moyen pour localiser et indiquer graphiquement ladite cellule nuageuse au regard d'un référentiel géographique déterminé, comme l'indiquent à titre d'exemple non limitatifs, les figures 5A et 5B. Ces deux figures illustrant une même scène géographique à deux instants ou itérations de la mise en œuvre d'un procédé 100 d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse conforme à l'invention décrivent ainsi un référentiel géographique sous la forme d'une carte ou d'une image résultante. Sur ladite carte, nous pouvons distinguer deux villes côtières VI et V2 et un réseau routier comprenant des voies circulantes RI à R5. En liaison avec la figure 5A, nous pouvons constater que deux cellules nuageuses NI et N2 ont été détectées et capturées par le radar météorologique 20, à la mise en œuvre d'une étape 120 selon l'exemple décrit par la figure 4. Une étape 121 a ainsi permis de créer deux lignes de contours respectivement délimitant les périmètres respectifs desdites cellules nuageuses NI et N2. Ces deux lignes correspondent à des polylignes PLC ou PLI, c'est-à-dire au périmètre de la cellule nuageuse concernée ou de la zone d'influence de celle-ci. L'étape 150 d'un procédé conforme à l'invention a permis de provoquer la superposition à la carte géographique desdites lignes de contours associées aux deux cellules NI et N2 . Nous pouvons constater que lesdites lignes apparaissent sur la figure 5A en traits discontinus, traduisant des cellules nuageuses qui ne sont pas en phase de maturité donc non dangereuses. En revanche, la figure 5B illustre une situation selon laquelle la cellule N2 est matérialisée par une ligne délimitant d'une part une aire accrue au regard de celle illustrée par la figure 5A, mais également et surtout une ligne en trait plein illustrant une cellule en phase de maturité donc dangereuse. Un utilisateur averti U d'un système 1 de détection d'activité électromagnétique conforme à l'invention, non représenté en figures 5A et 5B, peut donc prendre toutes mesures pertinentes pour gérer le risque environnemental lié à ladite cellule nuageuse N2 en percevant, via l'interface 40 dudit système 1 conforme à l'invention, tel que celui décrit à titre d'exemple non limitatif en figure 2, le contenu graphique et/ou sonore produit à l'étape 150 d'un procédé 100 également conforme à l'invention. Une telle étape 150 ne saurait être limitée à ce seul mode de réalisation pour constituer un moyen pour localiser et indiquer graphiquement une cellule nuageuse et son degré de maturité. A titre de variante, un tel moyen pour localiser et indiquer graphiquement une cellule nuageuse et son degré de maturité peut consister en l'emploi d'une couleur déterminée, par exemple blanche ou rouge, pour délimiter une cellule nuageuse à maturité, et une deuxième couleur, par exemple grise ou bleue, pour une cellule nuageuse en phase initiale ou d'effondrement. Toute autre marque ou moyen graphique permettant de localiser une cellule nuageuse et son degré de maturité pourrait être mis en œuvre à l'étape 150. Le traitement de l'étape 150 peut ainsi être généraliser comme élaborant un moyen pour localiser et indiquer graphiquement une cellule nuageuse au regard d'un référentiel géographique déterminé, consistant notamment en une superposition sur ledit référentiel géographique, tel une carte géographique, de l'une desdites lignes de contour PLC ou PLI délimitant ladite cellule nuageuse ou la zone d'influence de celleci d'une couleur déterminée et fonction de la valeur du niveau de maturité estimé à l'étape 140 de ladite cellule nuageuse.
L'invention a été décrite lors de son utilisation en lien avec des applications de détection de foudre, plus particulièrement la détection d'une ou plusieurs sources électromagnétiques pour évaluer le niveau de maturité d'une cellule nuageuse.
Elle peut également être mise en œuvre pour agir sur tout autre type d'éclairs, tels que les coups de foudre, ou plus généralement tout type d'ondes électromagnétiques à détecter et ainsi offrir un système de détection de foudre qualifiée de totale.
L'invention ne saurait être limitée à l'application au sein de laquelle le système 1 conforme à l'invention est 5 employé. Selon une autre mode de réalisation, un tel système et par voie de conséquence un tel procédé, conformes à l'invention pourraient être employés en lien avec d'autres sources électromagnétiques détectables conjointement par un radar et un interféromètre, que l'on 10 souhaiterait localiser précisément, afin d'appréhender ou d'estimer un éventuel risque, tel que, non limitativement la collision d'un hélicoptère hébergeant un tel système avec une ligne à hautes tensions, cette dernière consistant en ladite source électromagnétique.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse (N, NI, N2), mis en œuvre par une unité de traitement (31) d'un système (1) de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse (N, NI, N2), ledit système (1) comportant outre ladite unité de traitement (31), une mémoire de données (33), un radar météorologique (20) et un dispositif interférométrique (10) coopérant chacun avec ladite unité de traitement (31), ledit procédé (100) comportant :- une étape (120) pour collecter et enregistrer, dans la mémoire de données (33), une représentation numérique (IR) de la réflectivité d'hydrométéores au sein de l'environnement capturable par ledit radar (20) ;- une étape (121) pour segmenter ladite représentation numérique (IR) et produire, puis enregistrer dans ladite mémoire (33), une première ligne de contour (PLC) délimitant une cellule nuageuse (N, NI, N2) ;- une étape (110) pour collecter et inscrire, dans la mémoire de données (33), des coordonnées polaires (II) pour toute source électromagnétique détectée par le dispositif interférométrique (10) ;- une étape pour tester (130) l'appartenance d'une telle source électromagnétique à la cellule nuageuse (N, NI, N2) délimitée par ladite première ligne de contour (PLC) ;- une étape (140) pour estimer un niveau de maturité d'une telle cellule nuageuse si ladite cellule nuageuse (N, NI, N2) comprend ladite source électromagnétique ;- une étape (150) pour délivrer par une interface homme-machine une représentation numérique d'un tel niveau de maturité.
- 2. Procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse selon la revendication précédente, comportant en outre une étape (122) pour produire, puis enregistrer dans ladite mémoire (33), une deuxième ligne de contour (PLI) délimitant une zone d'influence de ladite cellule nuageuse (N, NI, N2) par dilatation de ladite première ligne de contour (PLC), pour lequel l'étape pour tester (130) l'appartenance de la source électromagnétique consiste en outre à tester son appartenance à la zone d'influence (PLI) de la cellule nuageuse (N, NI, N2) délimitée par ladite deuxième ligne de contour (PLI) et pour 1' étape 140 pour estimer un niveau de maturité d'une telle cellule nuageuse est mise en œuvre si la zone d'influence de celle-ci comprend ladite source électromagnétique.
- 3. Procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel l'étape (150) pour délivrer par une interface homme-machine une représentation numérique d'un tel niveau de maturité consiste à afficher un moyen pour localiser et indiquer graphiquement ladite cellule nuageuse au regard d'un référentiel géographique déterminé.
- 4. Procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse selon la revendication précédente, pour lequel ledit moyen pour localiser et indiquer graphiquement ladite cellule nuageuse au regard d'un référentiel géographique déterminé consiste en la superposition sur ledit référentiel géographique de l'une desdites première et deuxième lignes de contour (PLC, PLI) délimitant la cellule nuageuse ou la zone d'influence de celle-ci d'une couleur déterminée selon la valeur du niveau de maturité estimé de ladite cellule nuageuse (N, NI, N2).
- 5. Système (1) de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse (N, NI, N2), comportant une unité de traitement (31), un radar météorologique (20) et un dispositif interférométrique (10) coopérant chacun avec ladite unité de traitement (31), ledit système (1) étant caractérisé en ce que ladite unité de traitement (31) est agencée pour mettre en œuvre un procédé (100) d'évaluation de la maturité d'une cellule nuageuse (N, NI, N2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
- 6. Système (1) de détection d'activité électromagnétique au sein d'une cellule nuageuse (N, NI, N2) selon la revendication précédente, pour lequel le dispositif interférométrique (10) comporte deux modules d'antenne (5), chaque module d'antenne (5) comprenant deux éléments conducteurs (2), un réflecteur plan (6) présentant une première face (61) et une deuxième face (611), lesdites premières faces (61) des réflecteurs plans (6) desdits modules d'antenne (5) coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs (2) desdits modules d'antenne (5) au moyen d'éléments diélectriques, les deux modules d'antenne (5) étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces (611) de leurs réflecteurs plans forment un angle (a) saillant, lesdits réflecteurs plans (6) étant respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
- 7. Système (1) selon l'une quelconque des revendications5 ou 6, pour lequel les éléments conducteurs (2) de chaque module d'antenne (5) du dispositif interférométrique (10) sont des dipôles ou des surfaces conductrices quadrilatères.
- 8. Système (1) selon l'une quelconque des revendications5 à 7, pour lequel le réflecteur plan (6) de chaque module d'antenne (5) du dispositif interférométrique (10) est constitué d'un maillage métallique.
- 9. Système (1) selon l'une quelconque des revendications5 à 8, pour lequel le dispositif interférométrique (10) comporte quatre modules d'antenne (5), chaque module d'antenne (5) comprenant deux éléments5 conducteurs (2), un réflecteur plan (6) présentant une première face (61) et une deuxième face (611), lesdites premières faces (61) des réflecteurs plans (6) desdits modules d'antenne (5) coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux 10 éléments conducteurs (2) desdits modules d'antenne (5) au moyen d'éléments diélectrique, les quatre modules d'antenne (5) étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces (611) de leurs réflecteurs plans (6) forment deux à deux un angle (a) égale 15 sensiblement à quatre-vingt-dix degrés, lesdits réflecteurs plans (6) étant respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
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