FR3107771A1 - Système et procédé de détection et de localisation d’une source de rayonnement électromagnétique - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé et un système de localisation d’une source d’émission d’un rayonnement électromagnétique de type à impulsion modulée. Le système comprend au moins deux capteurs distants et une unité de traitement, chacun des capteurs comprenant au moins deux éléments d’antenne aptes à transformer un rayonnement électromagnétique en signal électrique. Le rayonnement électromagnétique est transformé en signaux électriques dans une étape (601). Les signaux électriques sont datés dans une étape (602). Les signaux électriques sont transformés en au moins un angle dans une étape (603) et synchronisés dans une étape (604). La position de la source est ensuite déterminée en fonction des dates de réception d’au moins deux signaux et dudit au moins un angle dans une étape de localisation (606 à 609). Figure pour l’abrégé : Fig. 6

Description

Système et procédé de détection et de localisation d’une source de rayonnement électromagnétique

La présente invention se rapporte à un système et un procédé de détection et de localisation d’une source de rayonnement électromagnétique. Plus particulièrement, un tel système ou procédé permet de suivre et d’analyser des phénomènes météorologiques en assurant la détection de foudre ou d’éclair, également connue sous la dénomination anglaise «lightning detection».

Arrière-Plan Technologique

Depuis des dizaines d’années, la foudre fait l’objet de nombreuses études dans le domaine de la météorologie. La foudre 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 leur mort, des interférences électromagnétiques éventuellement nuisibles aux communications entre des objets électroniques, par exemple dans les domaines de l’aviation et/ou de la navigation, ou encore des destructions de composants électroniques dans des infrastructures et/ou équipements.

Lors d'un orage, la foudre a tendance à frapper le sol proche d’un 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. Deux phénomènes permettent d’observer la foudre: un ou plusieurs éclairs accompagnés d’un coup de tonnerre. Le ou lesdits éclairs consistent en une ou plusieurs décharges électriques engendrant une onde électromagnétique. Lors de cette décharge, l’air est ionisé à très haute température et forme un plasma conducteur sur le parcours de la décharge constitué d'un mélange de particules neutres, d’ions positifs et d'électrons négatifs. 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. L’éclair visible et l’onde électromagnétique se propagent très rapidement à la vitesse de la lumière. Le tonnerre, qui résulte d'une dilatation explosive de l'air échauffé par l'éclair, se propage relativement lentement à la vitesse du son. 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 decumulonimbusou 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 auxdites 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.

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 (en anglais «Cloud lightning»), soit entre de tels nuages et l’air ou encore le sol (en anglais «Cloud to Ground (CG) lightning»), 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» (en anglais «leader»). 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 (en anglais «stepped leader») et les précurseurs continus (en anglais «dart leader»). Les précurseurs par pas précèdent le premier arc de l’éclair nuage-sol et progressent vers le sol par bonds d’unecinquantaine 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 et les précurseurs sont dits de détection totale (en anglais «total lightning»).

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 en haute fréquence, et notamment dans les bandes VHF (de l’anglaisVery High Frequency) et UHF (de l’anglaisUltra High Frequency) pour lesquelles le rayonnement de ces phénomènes est le plus intense. 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 du mètre.

A la vue des dégâts importants que peuvent engendrer la foudre ou plus généralement les orages, différents chercheurs ont tenté de trouver des méthodes ou procédés destinés à détecter, voire localiser la foudre, ce afin de prévenir les éventuels dommages que la foudre pourrait causer, voire dans certains cas, pour finalement préserver les infrastructures et les êtres vivants. De telles méthodes pour détecter la foudre se basent sur différentes technologies.

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 électromagnétique et l’importance de la direction de détection.

Par la suite, 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 capteurs espacés qui transforment le champ magnétique produit par l’éclair en signaux électriques. Les signaux électriques ainsi transformés par les capteurs sont de forme similaire lorsqu’ils sont produits par un même éclair mais arrivent à des instants différents sur chacun des capteurs, le temps d’arrivée dépendant de la distance qui sépare chacun des capteurs de la position de l’éclair. Les mesures de différence de temps entre l’arrivée des signaux de basse fréquence collectée par deux capteurs positionnés au sol permettent d’estimer une localisation d’éclairs frappant le sol sur une courbe hyperbolique située entre les capteurs qui correspond à toutes les positions d’un éclair qui présente une même différence de temps d’arrivée. L’ajout d’un troisième capteur permet d’obtenir trois courbes hyperboliques pour chaque paire de capteurs considérée. L’intersection des courbes permet de localiser l’événement météorologique sur une carte géographique.

Une combinaison des deux techniques précédentes peut être également exploitée pour permettre d’améliorer la vitesse de localisation par temps d’arrivée. Néanmoins, ce type de détection à basse fréquence ne permet que de détecter et localiser des éclairs produits entre le sol et les nuages. Une telle méthode ne permet pas de détecter et localiser des précurseurs intra-nuage.

La technique de géolocalisation par temps d’arrivée peut être également utilisée à haute fréquence en VHF et/ou UHF pour détecter et localiser les éclairs intra-nuage. Les capteurs utilisés sont alors des antennes qui transforment la partie du champ électrique provenant du rayonnement électromagnétique produit par l’éclair en signal électrique. Le principe est le même que la méthode à basse fréquence, deux capteurs permettent d’obtenir une courbe hyperbolique. Cependant, pour obtenir une localisation d’un éclair en trois dimensions, les courbes hyperboliques correspondent à des surfaces hyperboloïdes et l’utilisation d’au moins quatre capteurs est nécessaire pour avoir un point d’intersection unique dans toutes les configurations de position d’éclair. En outre, l’utilisation d’un signal en haute fréquence augmente considérablement la sensibilité au bruit, ce qui rend plus difficile l’identification de deux signaux provenant d’un même éclair et arrivant sur deux capteurs situés à des distances très différentes par rapport à la position de l’éclair. De plus, la détection en haute fréquence décompose un éclair en une pluralité décharges électromagnétiques successives se propageant le long de l’éclair. Ainsi, la détection en haute fréquence fait observer un plus grand nombre de sources électromagnétiques et nécessite un nombre très important d’échantillons de mesure ce qui implique des moyens et des temps de traitement plus importants. En raison de la puissance de calcul nécessaire à l’implémentation d’une telle méthode, la géolocalisation haute fréquence par temps d’arrivée est difficilement utilisable en temps réel sur des éclairs de longue durée, c’est-à-dire d’une durée supérieure à quelques dizaines de microseconde. Cependant, une analyse a posteriori des éclairs de longue durée reste possible.

Une autre technique repose sur l’interférométrie qui mesure une différence de phase entre deux ou plus éléments d’antenne relativement proches, c’est-à-dire placées à une distance inférieure à une demi longueur d’onde du signal mesuré. Une telle méthode consiste à transformer le déphasage des signaux reçus par les éléments d’antenne en direction angulaire par rapport à une position centrale des éléments d’antenne. Disposant de plusieurs antennes espacées, il est possible de localiser un éclair par triangulation. Pour obtenir un résultat satisfaisant, au moins trois antennes disposent d’au moins trois éléments d’antenne, chacune permettant de repérer la position d’un éclair. La précision de la mesure d’interférométrie dépend notamment du temps d’intégration du signal. Pour avoir une précision de mesure acceptable, l’impulsion générée par l’éclair doit être longue, par exemple supérieure à quelques dizaines de microsecondes. Une limitation à l’interférométrie peut être la présence à proximité des antennes de mesure de signal d’éléments perturbateurs créant des réflexions parasites du signal émis par l’éclair. Un tel élément perturbateur peut consister par exemple en un pylône électrique, un hangar ou toute autre structure métallique. La présence d’un tel élément perturbateur peut faire dévier de manière significative la mesure d’interférométrie effectuée. Pour s’en affranchir, une redondance plus importante du nombre d’antennes est utilisée.

Les techniques de mesure de temps d’arrivée et d’interférométrie peuvent être utilisées conjointement, la technique d’interférométrie permettant une localisation rapide d’éclair intra-nuage et la technique de temps d’arrivée permettant de localiser rapidement des éclairs sol-nuage. En outre, l’exploitation a posteriori des mesures effectuées par temps d’arrivée en haute fréquence permet de ré-étalonner un système utilisant l’interférométrie.

Ces deux systèmes présentent comme inconvénient commun de nécessiter un nombre minimal de capteurs ou d’antennes supérieur à trois pour l’interférométrie et supérieur à quatre pour la mesure de temps d’arrivée. La multiplicité des capteurs ou antennes augmente le nombre de traitements des données, ce qui complexifie le système de traitement centralisé.

L’invention propose d’améliorer les systèmes de détection de l’état de la technique en proposant un nouveau système qui s’affranchit des problèmes de détection évoqués dans les techniques de l’état de la technique, permettant un déploiement plus rapide des installations et une détermination plus rapide d’une position d’un éclair par calcul de temps d’arrivée. L’invention propose une combinaison astucieuse de la technique de mesure de temps d’arrivée avec une mesure d’angle de provenance qui permet de réduire le nombre de capteurs ou d’antennes nécessaires à la réalisation d’un système de détection. En outre, l’invention réalise un calcul de position d’un éclair ou plus généralement d’une source d’impulsion électromagnétique modulée qui utilise conjointement les données de mesure de temps d’arrivée et d’angle de provenance, ce qui permet de simplifier les calculs de détermination de position et également de minimiser les inconvénients de la technique de mesure de temps d’arrivée.

Plus particulièrement, l’invention propose un procédé de localisation d’une source d’émission d’un rayonnement électromagnétique de type à impulsion modulée, mis en œuvre par un système de détection comprenant au moins deux capteurs distants et une unité de traitement, chacun des au moins deux capteurs comprenant au moins deux éléments d’antenne apte à transformer un rayonnement électromagnétique en signal électrique et l’unité de traitement comprenant au moins un microprocesseur et au moins une mémoire contenant des données et des programmes mis en œuvre par le microprocesseur afin de mettre en œuvre le procédé de localisation de la source d’émission de rayonnement électromagnétique. Le procédé comporte principalement une étape de réception, une étape de datation, une étape de détection d’une direction, une étape de synchronisation, et une étape de localisation. L’étape de réception consiste à recevoir un rayonnement électromagnétique et à le transformer en une pluralité de signaux électriques représentatifs d’une impulsion modulée à l’aide de chacun des éléments d’antenne de chaque capteur. L’étape de datation consiste à affecter une date de réception à chacun des signaux électriques correspondant à une date de l’impulsion modulée reçue par chaque élément d’antenne. L’étape de détection d’une direction transforme les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes d’au moins un desdits au moins deux capteurs en au moins un angle définissant une direction de réception par rapport à une position dudit au moins un capteur. L’étape de synchronisation consiste à sélectionner les signaux reçus ayant leurs dates de réception dans une fenêtre temporelle prédéfinie pour chacun des capteurs et les comparer afin de déterminer si l’impulsion modulée provient d’une même source. L’étape de localisation consiste à déterminer une position de la source en fonction des dates de réception d’au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et dudit au moins un angle.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la mesure d’angle peut se faire par interférométrie, ce qui permet de combiner les avantages des techniques d’interférométrie et de mesure de temps d’arrivée tout en réduisant les inconvénients de ces deux techniques. Plus précisément, l’étape de détection d’une direction peut être réalisée par interférométrie en fonction d’un déphasage mesuré entre les signaux électriques provenant des au moins deux éléments d’antenne d’un même capteur.

Selon un premier mode de réalisation, l’étape de localisation peut être réalisée par minimisation d’une erreur calculée à partir d’une position courante, l’erreur calculée prenant en compte une erreur d’angle entre l’au moins un angle défini dans l’étape de détection d’une direction et un angle correspondant à la position courante et une erreur temporelle entre une différence de dates de réception pour des impulsions provenant d’une ou plusieurs paires de capteurs et une différence de temps d’arrivée calculée desdites impulsions à partir de la position courante au niveau desdites une ou plusieurs paires de capteurs, et dans lequel la position courante initiale peut être localisé sur une droite déterminée par l’au moins un angle.

Selon un deuxième mode de réalisation, l’étape de détection d’une direction peut transformer les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes de chacun desdits au moins deux capteurs en au moins un angle définissant une direction de réception par rapport à une position de chacun desdits au moins deux capteurs. Le procédé peut alors comporter une étape de pré-localisation pour déterminer une position initiale en fonction desdits angles, et l’étape de localisation peut déterminer une position de la source en fonction des au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et desdits angles à partir de la position initiale.

Selon une amélioration de ce deuxième mode de réalisation, l’étape de localisation peut être réalisée par minimisation d’une erreur calculée à partir d’une position courante, l’erreur calculée prenant en compte une erreur d’angle entre les angles définis dans l’étape de détection d’une direction et des angles correspondant à la position courante et une erreur temporelle entre une différence de dates de réception mesurées pour les impulsions provenant d’une ou plusieurs paires de capteurs et une différence de temps d’arrivée calculée desdites impulsions à partir de la position courante au niveau desdites une ou plusieurs paires de capteurs, et dans lequel la position courante initiale est la position initiale déterminée dans l’étape de pré-localisation.

Préférentiellement, la minimisation de l’erreur peut être réalisée par variation de la position courante et par calcul de l’erreur calculée jusqu’à l’obtention d’une position courante correspondant à une erreur minimale, et ladite position courante correspondant à l’erreur minimale peut être attribuée à la localisation de la source.

Selon un mode particulier de réalisation, l’erreur calculée peut être réalisée par pondération de l’erreur d’angle et de l’erreur temporelle en fonction d’un coefficient qui est déterminé en fonction de la largeur de l’impulsion.

A des fins de simplification de traitement, l’étape de synchronisation peut déterminer que des signaux électriques d’au moins deux capteurs proviennent d’une même source si les angles associés audits signaux électriques convergent dans une zone de proximité spatiale cohérente avec une différence de date desdits signaux.

Pour réduire la transmission de données entre les capteurs et l’unité de traitement, l’étape de détection d’une direction peut être réalisée par chacun des capteurs de sorte que, suite à la réception d’une impulsion modulée d’un champ électromagnétique, chacun desdits capteurs transmette à l’unité de traitement une date de réception, un signal électrique numérisé correspondant à l’impulsion modulée reçue, et au moins un angle de provenance de ladite impulsion modulée reçue.

Selon un autre aspect, l’invention propose un système de localisation d’une source d’émission d’un rayonnement électromagnétique de type à impulsion modulée, comprenant au moins deux capteurs distants et une unité de traitement, chacun des au moins deux capteurs comprenant au moins deux éléments d’antenne aptes à transformer un rayonnement électromagnétique en signal électrique et l’unité de traitement comprenant au moins un microprocesseur et au moins une mémoire contenant des données et des programmes mis en œuvre par le microprocesseur. Chaque élément d’antenne de chaque capteur est configuré pour recevoir un rayonnement électromagnétique et le transformer en un signal électrique représentatif d’une impulsion. Chaque capteur est configuré pour affecter une date de réception à chaque signal électrique correspondant à une date de l’impulsion modulée reçue par chaque élément d’antenne. Le système est configuré pour transformer les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes d’au moins un desdits au moins deux capteurs en au moins un angle définissant une direction de réception par rapport à une position dudit au moins capteur; pour sélectionner les signaux reçus ayant leurs dates de réception dans une fenêtre temporelle prédéfinie pour chacun des capteurs et les comparer afin de déterminer si l’impulsion modulée provient d’une même source; et pour déterminer une position de la source en fonction des dates de réception d’au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et dudit au moins un angle.

Préférentiellement, chacun des capteurs est configuré pour déterminer un angle de réception en fonction des signaux reçus par les éléments d’antenne dudit capteur et pour transmettre à l’unité de traitement une date de réception, un signal électrique numérisé correspondant à l’impulsion modulée reçue, et au moins un angle de provenance de ladite impulsion modulée reçue.

Brève Description des figures

L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels:

montre un exemple d’antenne mis en œuvre par l’invention,

montre un exemple de capteur mis en œuvre par l’invention,

montre un exemple de réalisation d’un système conforme à l’invention,

illustre un exemple simple de mise en œuvre de l’invention utilisant deux capteurs,

illustre un exemple de mise en œuvre de l’invention utilisant trois capteurs,

illustre un exemple d’organigramme détaillant un mode préféré de mise en œuvre de l’invention,

illustre une étape de synchronisation de signaux électriques mis en œuvre par l’invention,

Description détaillée

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. A des fins de simplification, les termes «éclair» et «foudre» seront indifféremment employés pour désigner une impulsion électromagnétique modulée d’origine météorologique.

La figure 1 représente une antenne 1 qui est utilisée dans un mode préféré de réalisation de l’invention qui utilise conjointement les techniques d’interférométrie et de mesure du temps d’arrivée. L’antenne 1 comporte une pluralité d’éléments d’antenne 10 reliés à un mât central 11 par l’intermédiaire de bras 12. Les éléments d’antenne 10 sont espacés deux à deux d’une distance d qui est inférieure à une demi-longueur d’onde d’un signal dont on souhaite déterminer la provenance. Afin d’éviter des interférences parasites, les éléments d’antenne 10 sont préférentiellement placés à une distance suffisante de tout élément métallique pour éviter que ces éléments créent des réflexions parasite du signal reçu. En variante, des antennes directionnelles telles que décrites dans la demande de brevet français n°18 59088 déposée le 1^eroctobre 2018 peuvent être utilisées pour s’affranchir de possibles réflexions parasites.

L’antenne 1 permet de transformer une impulsion électromagnétique reçue en une pluralité de signaux électriques correspondant à chacun des éléments d’antenne 10. Deux signaux reçus par deux éléments d’antenne présentent un déphasage lié à la différence de distance parcourue par l’onde électromagnétique. Considérant la distance d négligeable par rapport à la distance séparant la source de l’onde électromagnétique de l’antenne 1, le déphasage Φ entre deux signaux peut s’exprimer selon la formule suivante:

avec λ la longueur d’onde d’un signal reçu, et α l’angle d’incidence du signal reçu par rapport à un plan médian séparant les deux éléments d’antenne 10.

Chaque paire d’éléments d’antenne 10 considérée permet de définir un cône de provenance du signal. L’utilisation de signaux électriques provenant de deux paires d’éléments d’antenne 10 orientées selon deux axes différents permet de définir une droite à l’intersection des deux cônes résultants. La droite correspond à une direction de provenance du signal électromagnétique.

L’utilisation d’un nombre de paires d’éléments d’antenne plus important permet d’avoir une redondance de mesure et donc de minimiser l’erreur de direction en calculant par exemple une direction moyenne résultant de toutes les droites calculables à l’aide des différentes paires d’éléments d’antenne. La droite ainsi définie peut ensuite être transformée en deux angles θ et φ correspondant respectivement à l’azimut et à l’élévation de la source électromagnétique au niveau de l’antenne de réception.

De manière alternative, il est également possible de ne pas utiliser d’interférométrie pour déterminer une direction de la source électromagnétique. A titre d’exemple, les éléments d’antenne 10 peuvent être remplacés par des antennes directionnelles pointant dans différentes directions et ayant des lobes de réception se recoupant. La détermination de la direction de la source est réalisée en pondérant la direction centrale de chacune des antennes directionnelles à l’aide de l’amplitude des signaux reçus.

La figure 2 montre un capteur 2 complet qui inclut l’antenne 1 et qui comporte en outre un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique 20, un circuit d’horloge 21, un ou plusieurs microprocesseurs 22, une mémoire 23, et une interface de communication 24. Le nombre de convertisseurs analogique-numérique 20 et le nombre de microprocesseurs 22 est déterminé en fonction de la fréquence d’échantillonnage, de la fréquence de cadencement du ou des microprocesseurs 22 et des traitements que l’on souhaite effectuer au niveau du capteur 2. La mémoire 23 comporte une mémoire de travail ou mémoire RAM et une mémoire de stockage, par exemple un ou plusieurs disques durs ou une mémoire non volatile de type EEPROM. La mémoire de travail sert à mémoriser les données et programmes en cours de mise en œuvre par le ou les microprocesseurs 22 et la mémoire de stockage sert à mémoriser les données et programmes de manière non volatile. L’interface de communication 24 est une interface de communication à haut débit destinée à communiquer avec l’interface de communication d’un centre de traitement qui sera détaillé par la suite. L’interface de communication 24 est par exemple une interface de type TCP/IP dédiée ou reliée à internet de manière filaire ou non filaire, l’important étant d’avoir un haut débit de données.

Le ou les convertisseurs analogique-numérique 20 sont connectés à chacun des éléments d’antenne 10 via des amplificateurs d’antenne et des filtres passe-bandes centrés sur une bande passante d’étude, non représentés à des fins de simplification de schéma, afin de transformer le signal électrique provenant de chaque élément d’antenne 10 en un signal numérique, éventuellement sous-échantillonné, plus facile à traiter par le ou les microprocesseurs 22.

Le circuit d’horloge 21 est par exemple un compteur de temps cadencé par un oscillateur de grande précision et comporte une alimentation sauvegardée qui lui est propre afin de pouvoir fournir aux microprocesseurs 22 une date très précise avec une dérive de l’ordre de 10^{- 9}. A titre d’exemple, la précision de la date peut être de l’ordre de la microseconde, la dérive étant inférieure à une microseconde par jour. Préférentiellement, le circuit d’horloge 21 de chaque capteur 2 est synchronisé avec tous les circuits d’horloge 21 de tous les capteurs 2 fonctionnant dans un même système. Afin de compenser les dérives des différents circuits d’horloge, une synchronisation distante des circuits d’horloge peut être réalisée par le ou les microprocesseurs 22 à réception d’un message de synchronisation reçu par l’interface de communication 24.

Selon une variante, l’oscillateur du circuit d’horloge 21 peut être un oscillateur à quartz ayant une dérive de l’ordre de 10^-5et le circuit d’horloge 21 comporte un récepteur de positionnement par satellite de type GPS (de l’anglais: Global Positioning System) pour se resynchroniser toutes les secondes sur le signal de positionnement provenant des satellites.

Le ou les microprocesseurs 22 sont reliés aux convertisseurs analogique-numérique 20, au circuit d’horloge 21, à la mémoire 23 et à l’interface de communication 24 pour mettre en œuvre des programmes de traitements de données mémorisés dans la mémoire 23.

Un programme de mise en forme est mis en œuvre par le ou les microprocesseurs 22 pour filtrer les signaux numériques reçus du ou des convertisseurs analogique-numérique 20. La mise en forme consiste à filtrer les signaux afin de ne conserver que des signaux compris dans une bande passante d’étude dès lors que ces signaux sont supérieurs à un seuil de bruit. La bande passante d’étude est par exemple de 5MHz centrée sur 330MHz. Afin de faciliter le traitement, il est possible de sous échantillonner les signaux provenant des éléments d’antenne pour ramener la bande passante d’étude à une fréquence inférieure. Les signaux provenant d’un éclair correspondant à des impulsions modulées, ce premier traitement permet de détecter un début d’impulsion et de lui attribuer une date fournie par le circuit d’horloge 21 lors de la réception du début de l’impulsion. Les signaux numériques filtrés et datés peuvent être alors mémorisés dans la mémoire 23.

Un programme d’envoi de données permet au microprocesseur d’envoyer tous les signaux numériques filtrés et datés à un centre de traitement afin de déterminer la localisation de l’éclair. L’envoi des signaux numériques filtrés et datés peut se faire en même temps que leur stockage dans la mémoire 23 ou après avoir reçu la totalité des signaux correspondant à une impulsion électromagnétique générée par un éclair. L’envoi des signaux peut être réalisé par paquets de données à l’aide de l’interface de communication 24.

Afin de réduire la quantité de données à transmettre, le ou les microprocesseurs 22 peuvent mettre en œuvre un programme de prétraitement des signaux reçus par les différents éléments d’antenne 10 pour déterminer au niveau du capteur 2 la direction des signaux. Un tel programme de prétraitement peut utiliser un algorithme de calcul par interférométrie ou par pondération de direction d’antennes directives comme indiqué préalablement. Un seul signal numérique filtré correspondant par exemple à l’élément d’antenne 10 qui reçoit le signal le plus fort peut alors être transmis au centre de traitement avec la date de début d’impulsion et les angles d’azimut θ et d’élévation φ.

Pour réduire un peu plus la quantité de données à transmettre, un programme de transformation mis en œuvre par le ou les microprocesseurs 22 peut transformer le signal numérique filtré en représentation comprimée représentative de l’impulsion électromagnétique à localiser. La représentation comprimée peut consister à caractériser une période d’observation, par exemple de cent microsecondes, correspondant à l’impulsion électromagnétique en réalisant une intégration du signal sur la période, en déterminant un niveau maximal (ou niveau crête) de signal reçu sur ladite période d’observation, en définissant une date correspondant au niveau maximal de signal reçu. Les données envoyées au centre de traitement sont alors la représentation comprimée de l’impulsion accompagnée de la date de début d’impulsion et des angles d’azimut θ et d’élévation φ.

La figure 3 montre un exemple de système de localisation 3 selon l’invention. Le système est principalement constitué d’un centre de traitement 3 relié à une pluralité de capteurs 2. A titre d’exemple, deux capteurs 2 notés C1 et C2 sont représentés et correspondent au nombre minimal de capteurs 2 qui permettent de localiser un éclair 31 situé à distance des capteurs C1 et C2. Le centre de traitement 30 comporte principalement un ou plusieurs microprocesseurs 301 couplés à une mémoire 302 et une interface de communication 303.

La mémoire 302 comporte une mémoire de travail ou mémoire RAM et une mémoire de stockage, par exemple des disques durs ou de la mémoire non volatile de type EEPROM. La mémoire de travail sert à mémoriser les données et programmes en cours de mise en œuvre par le ou les microprocesseurs 301 et la mémoire de stockage sert à mémoriser les données et programmes de manière non volatile. L’interface de communication 303 est une interface de communication à haut débit destinée à communiquer avec les interfaces de communication 24 des différents capteurs 2. L’interface de communication 302 est constituée, par exemple, d’une interface de type TCP/IP et d’une ou plusieurs autres interfaces de communication de type WiFi ou autre permettant de communiquer avec une interface homme-machine, non représentée à des fins de simplification, pour permettre à un utilisateur de récupérer les informations de localisation d’éclair. L’interface de type TCP/IP peut être dédiée ou reliée à internet de manière filaire ou non filaire, l’important étant d’avoir un haut débit de données pour recevoir les données provenant de tous les capteurs 2.

Parmi les programmes mis en œuvre par le ou les microprocesseurs 301, un programme de réception de données permet de mémoriser les données arrivant par l’interface de communication 303 dans la mémoire 302.

Si les capteurs 2 ne comportent pas de programme de prétraitement, le ou les microprocesseurs 301 peuvent mettre en un programme de détermination d’angles de provenance des signaux reçus pour chaque capteur 2. Un tel programme de détermination d’angles réalise un traitement similaire à celui décrit préalablement pour les capteurs 2. L’important est de pouvoir disposer pour au moins un capteur 2 une direction, représentée par exemple en angles d’azimut θ et d’élévation φ.

Le ou les microprocesseurs 301 du centre de traitement 30 mettent en œuvre et cordonnent différents sous programmes afin de mettre en œuvre le procédé de localisation objet de l’invention qui va être à présent décrit en utilisant conjointement les figures 4 à 7 qui illustrent la mise en œuvre du procédé selon différents aspects. Les figures 4 et 5 illustrent une configuration géographique de la mise en œuvre selon deux exemples de configuration du système de localisation. La figure 6 illustre le fonctionnement global du procédé de localisation sous forme d’organigramme selon un mode préféré de réalisation. La figure 7 illustre une étape de synchronisation indiquée sur l’organigramme de la figure 6.

La figure 4 illustre le système fonctionnant avec deux capteurs 2, C1 et C2 permettant de localiser l’éclair 31. Afin de simplifier les dessins, la représentation correspond à une représentation en deux dimensions, ce qui peut être suffisant pour certaines utilisations de l’invention. Néanmoins, des explications seront également données dans le cadre d’utilisation de l’invention pour une localisation en trois dimensions. Sur la représentation de la figure 4, les deux capteurs C1 et C2 sont espacés d’une distance de mesure permettant la localisation de l’éclair 31. La distance de mesure est fixée de manière arbitraire lors de l’installation des différents capteurs du système, en fonction d’une région géographique à surveiller et d’un nombre de capteurs que l’on souhaite utiliser. Préférentiellement, la distance de mesure est comprise entre dix et cent kilomètres mais peut être différente de cette fourchette de distance.

Le principe de l’invention consiste à combiner la mesure des angles d’azimut θ1 et θ2, et également des angles d’élévation φ1 et φ2 en trois dimensions, avec une localisation par mesure de temps d’arrivée. Avec seulement deux capteurs C1 et C2, la mesure de différence de temps d’arrivée de l’impulsion électromagnétique sur ces deux capteurs C1 et C2, qui sera détaillée plus loin, permet de situer l’éclair sur une hyperbole 40, ou sur une surface hyperboloïde en trois dimensions. Les angles d’azimut θ1 et θ2 permettent de déterminer des droites de direction 41 et 42 qui partent respectivement de la position des capteurs C1 et C2, l’ajout des angles d’élévation φ1 et φ2 permet de placer ces droites 41 et 42 dans un repère tridimensionnel. L’intersection d’une de ces droites de direction 41 ou 42 avec l’hyperbole 40, ou la surface hyperboloïde, suffit à localiser un éclair. Bien entendu pour des raisons de fiabilité de mesure, une redondance de calcul peut être souhaitée et il est possible d’utiliser les deux droites de direction 41 et 42.

Dans le cadre d’un déploiement géographique sur une région le nombre de capteurs 2 déployés peut être relativement important. La figure 5 illustre l’ajout d’un troisième capteur C3 formant un triangle avec les capteurs C1 et C2. Le troisième capteur C3 permet de déterminer une troisième droite de direction 43 à partir de l’angle d’azimut θ3, et éventuellement de l’angle d’élévation φ3. Théoriquement, les trois droites de direction 41, 42 et 43 doivent se croiser en un même point correspondant à la position de l’éclair 31. Dans la pratique, des erreurs de mesure existent: il est nécessaire de déterminer un point de croisement fictif de ces droites. A titre d’exemple, si les mesures d’angles θ et φ sont réalisées par interférométrie, l’erreur de localisation va dépendre de la largeur de l’impulsion électromagnétique émise par l’éclair 31. Ainsi, plus l’impulsion est courte, plus l’erreur de localisation sera importante.

Par ailleurs, l’ajout du troisième capteur C3 permet également de déterminer une deuxième hyperbole, ou surface hyperboloïde, 44 et une troisième hyperbole, ou surface hyperboloïde, 45 par mesures de la différence de temps d’arrivée entre le troisième capteur C3 et respectivement les capteurs C2 et C1. L’intersection des trois hyperboles 40, 44 et 45, ou surface hyperboloïde, devrait théoriquement se faire en un point unique qui correspond à la position de l’éclair 31. Or, la mesure de temps d’arrivée de l’impulsion électromagnétique présente toujours une imprécision qui induit que ces hyperboles 40, 44 et 45 ne se croisent pas en un point unique: la détermination de la localisation de l’éclair correspond alors à un point moyen entre les points d’intersection par minimisation d’erreur. Dans la pratique, l’erreur de localisation est généralement minimisée par l’utilisation d’un nombre important de capteurs 2. En outre, l’utilisation seule de mesures de temps d’arrivée nécessite d’identifier que les impulsions électromagnétiques reçues par deux capteurs distants correspondent bien à une impulsion émise par une même source. L’opération d’identification des impulsions est d’autant plus difficile à faire que les impulsions sont d’une durée importante.

Selon l’invention, la localisation par mesure d’angles de provenance et par mesure de différence de temps d’arrivée sont astucieusement combinées selon un procédé détaillé à l’aide de l’organigramme de la figure 6. Les différentes étapes de l’organigramme de la figure 6 peuvent être mises en œuvre dans différents éléments du système de localisation comme il sera indiqué par la suite.

Une étape de réception 601 est réalisée par chacun des capteurs 2 du système de localisation dès lors qu’une impulsion électromagnétique modulée produite par l’éclair 31 arrive au niveau de l’un des capteurs 2. Le rayonnement de l’impulsion électromagnétique reçu par le capteur 2 est transformé en une pluralité de signaux électriques représentatif de l’impulsion électromagnétique modulée à l’aide de chacun des éléments d’antenne 10 de chaque capteur 2 comme indiqué préalablement.

Dans une étape de datation 602, les microprocesseurs 22 des capteurs 2 enregistrent une date de réception avec chacun des signaux électriques correspondant à une date de l’impulsion électromagnétique modulée et reçue par chaque élément d’antenne 10.

Après la datation des signaux, une étape de détection d’une direction 603 est mise en œuvre pour transformer les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes 10 d’au moins un des capteurs 2 en au moins un angle définissant une direction de réception en azimut θ et éventuellement en élévation φ par rapport à une position du capteur 2 recevant les signaux. Préférentiellement, cette étape 603 peut être réalisée pour les signaux de tous les capteurs 2 afin d’avoir une redondance d’information de direction. Comme indiqué précédemment, la mise en œuvre de cette étape de détermination de direction 603 peut être réalisée soit par un microprocesseur 22 d’un capteur 2, soit par un microprocesseur 301 du centre de traitement 30.

Un microprocesseur 301 du centre de traitement 30 met ensuite en œuvre une étape de synchronisation 604 pour sélectionner les signaux reçus correspondant à une impulsion provenant d’un même éclair 31. Pour cela, les dates de réception des signaux contenues dans une fenêtre temporelle déterminent les signaux à étudier pour déterminer si ceux-ci correspondent à une même source. L’étape de synchronisation est détaillée à l’aide de la figure 7.

La figure 7 représente des signaux électriques reçus par respectivement chacun des capteurs C1, C2 et C3. Les signaux électriques S1, S2 et S3 correspondent à l’éclair 31 et les signaux électriques S4, S5 et S6 correspondent à l’éclair 32 dont la localisation par rapport aux capteurs C1, C2 et C3 est indiquée sur la figure 5. Pour déterminer une fenêtre d’étude 70, le microprocesseur 301 recherche dans la mémoire 302 le signal électrique S1 ayant la date la plus ancienne tout en n’ayant pas encore été utilisé pour déterminer une position d’éclair 31. La date du signal S1 sert de date d’ouverture d’une fenêtre temporelle qui correspond à une fenêtre d’étude 70. La durée de la fenêtre d’étude 70 est déterminée en fonction d’une différence de proximité de l’éclair 31 vis-à-vis de deux capteurs 2 ou à une distance supérieure. A titre d’exemple, une fenêtre d’étude de deux cents microsecondes permet d’étudier les signaux provenant d’un éclair 31 dont la différence de distances entre l’éclair et chacun des capteurs est inférieure à soixante-dix kilomètres.

Le microprocesseur 301 recherche ensuite tous les signaux électriques S2, S3 et S4 dont la date de réception est comprise dans la fenêtre d’étude 70 afin de les comparer. Selon un premier mode de réalisation, le signal électrique S1 à l’origine de la fenêtre d’étude est comparé avec tous les signaux S2, S3 et S4 dont les dates sont dans la fenêtre d’étude. La comparaison est effectuée directement sur les signaux ou, en variante, sur leur représentation spectrale. Cette technique correspond à la technique conventionnelle couramment utilisée lors de la localisation par mesure de différence de temps d’arrivée et prend énormément de temps de calcul.

En variante, dans le cas ou la distance entre les capteurs est très réduite, la fenêtre d’étude peut être inférieure à la durée d’une impulsion. Il est alors possible de considérer que les impulsions présentes dans la fenêtre d’étude sont nécessairement issues d’un même éclair. La comparaison revient alors à déterminer que la différence temporelle entre les signaux est suffisamment faible pour déterminer qu’ils sont issus d’un même éclair.

Selon un mode de réalisation préféré, dans lequel chaque signal électrique est associé à un angle d’azimut θ et éventuellement d’élévation φ, l’utilisation des directions données peut également être utilisée pour l’étape de synchronisation en déterminant pour chaque signal électrique S2, S3 et S4 s’il y a une cohérence temporelle et spatiale avec le signal électrique S1. En effet si le point d’intersection de deux droites de direction 41 et 42 est situé à une distance dont la différence de temps de propagation est cohérente avec les dates des signaux électriques, alors les signaux électriques proviennent d’une même source. Par «cohérente», il faut comprendre qu’une erreur entre la différence des dates mesurées et des dates calculées en fonction du point d’intersection est inférieure à un seuil, par exemple de quelques microsecondes. Un tel calcul de cohérence permet de réduire fortement le temps de calcul. L’homme du métier peut remarquer que ce type de comparaison revient à déterminer par avance si un algorithme de détermination de position par calcul de temps d’arrivée peut converger.

En outre, il est également possible de combiner les deux techniques en réalisant tout d’abord un calcul de cohérence temporelle et spatiale et de réaliser ensuite une vérification de l’identité des signaux électriques pour confirmer qu’un signal électrique ne serait pas indument pris en compte. Une telle combinaison bien que plus longue qu’une simple cohérence spatiale et temporelle, reste plus rapide qu’une identification directe de l’identité des signaux électriques.

Les signaux électriques ainsi identifiés comme provenant d’une même source sont marqués dans la mémoire 301 de sorte qu’ils soient réutilisés pour une étape de synchronisation. A titre d’exemple, les signaux électriques S1, S2 et S3 ayant été identifiés comme provenant d’une même source, la mise en œuvre d’une étape suivante pourra être réalisée en prenant le signal électrique S4 pour définir la date de début d’une nouvelle fenêtre d’étude 71. Comme on peut le voir sur la figure 7, la nouvelle fenêtre d’étude ne prend en compte que deux des trois signaux électriques correspondant à l’éclair 32, ce qui est suffisant pour en déterminer la position à l’aide du procédé objet de l’invention.

Les signaux électriques ayant été identifiés comme ayant une même provenance ainsi que les angles d’azimut et éventuellement d’élévation qui leur sont associés, le microprocesseur 301 met en œuvre une étape de pré-localisation 605 pour déterminer une première position de l’éclair 31. Cette étape de pré-localisation 605, n’est réalisée que dans un mode préféré de réalisation où un angle d’azimut θ et éventuellement d’élévation φ est déterminé pour chaque capteur 2. L’étape de pré-localisation 605 consiste à définir une première position de l’éclair 31 en fonction des angles d’azimut θ et éventuellement d’élévation φ et des positions des capteurs. De nombreuses possibilités de calcul sont envisageables. Les formules suivantes sont ainsi données à titre d’exemples non limitatifs.

La pré-localisation peut être réalisée en utilisant uniquement deux capteurs C1 et C2 de position respective dans un repère définissant chacun au moins un angle d’azimut θ1, θ2 et éventuellement au moins un angle d’élévation φ1, φ2.

avec X₀et Y₀, les coordonnées cartésiennes de l’éclair 31, X₁et Y₁les coordonnées cartésiennes du capteur C1, et X₂et Y₂les coordonnées cartésiennes du capteur C2.

Si l’on souhaite déterminer la position de l’éclair 31 en trois dimensions, on peut appliquer la formule suivante:

avec Z₀l’altitude de l’éclair 31 et Z₁l’altitude de l’antenne du capteur C1.

Un tel calcul de position n’est pas optimal, notamment lorsqu’il y a plus de deux capteurs mais se trouve être suffisant pour mettre en œuvre le procédé objet de l’invention.

Dans l’hypothèse où l’on ne dispose que d’un seul angle d’azimut θ, et éventuellement d’un seul angle d’élévation φ, l’étape de pré-localisation 605 n’est pas réalisée et une position de départ arbitraire peut être déterminée, de préférence sur la droite de direction définie par le seul angle d’azimut θ, et éventuellement d’élévation φ.

Dans une étape d’initialisation de calcul de position 606, le microprocesseur 301 fixe comme position courante la première position de l’éclair 31 dans l’étape de pré-localisation 605 ou la position de départ arbitraire.

Le calcul de position qui va être réalisé dans les étapes suivantes du procédé se fait par minimisation d’une erreur calculée à partir d’une position courante jusqu’à arriver à une erreur minimale. Lorsque l’erreur calculée est minimale, la position courante correspond à la localisation de l’éclair. En outre, l’erreur calculée se base d’une part sur une différence de temps d’arrivée de l’impulsion électromagnétique et d’autre part sur les angles de provenance des signaux.

A partir de la position courante, le microprocesseur met en œuvre une étape de calcul d’erreur 607. Pour effectuer le calcul d’erreur, le microprocesseur 301 détermine à partir de la position courante et de la position de chaque capteur Ci un angle d’azimut θc_iet éventuellement un angle d’élévation φc_i, d’une part, et un temps d’arrivée Tc_ide l’impulsion électromagnétique sur ledit capteur Ci. Un tel calcul peut être réalisé à l’aire des formules ci-après.

Calcul de la distance Di séparant le capteur Ci de la position courante pour une localisation en deux dimensions:

Calcul de la distance Di séparant le capteur Ci de la position courante pour une localisation en trois dimensions:

Calcul de l’angle d’azimut θc_i :

Calcul de l’angle d’élévation φc_i

Calcul du temps d’arrivée Tc_i

avec X₀, Y₀et Z₀, les coordonnées cartésiennes de la position courante, X_i, Y_iet Z_i, les coordonnées cartésiennes du capteur Ci et c la vitesse de la lumière.

Après avoir calculé les angles d’azimut θc_iet éventuellement les angles d’élévation φc_i, d’une part, et les temps d’arrivée Tc_ide l’impulsion électromagnétique sur tous les capteurs Ci, le microprocesseur calcule une erreur d’angle d’une part et une erreur temporelle d’autre part. Afin que l’erreur d’angle et l’erreur temporelle puisse être combinés en erreur globale, ces erreurs sont calculées en distance moyenne entre la position courante et une position correspondant aux mesures d’angle d’azimut θ_iet éventuellement un angle d’élévation φ_i, d’une part, et aux mesure de date des signaux électriques.

Erreur d’angle en deux dimensions εa:

Erreur d’angle en trois dimensions εa:

Erreur temporelle εt:

Erreur totale ε:

avec i, j et k des indices correspondant respectivement aux capteurs Ci, Cj et Ck, KT un coefficient de prise en compte de l’erreur temporelle εt, et KA un coefficient de prise en compte de l’erreur d’angle εa.

L’erreur temporelle εt correspond à une erreur de calcul dans un algorithme de calcul de position par différence de temps d’arrivée. L’erreur d’angle εa correspond à une erreur de position par calcul d’angle. La combinaison de ces deux erreurs permet de réaliser un calcul de position qui prend en compte les deux techniques. Typiquement, les coefficients KT et KA peuvent être fixés arbitrairement en ayant une somme par exemple égale à «1».

Selon un mode de réalisation préféré, les angles sont calculés par interférométrie et les coefficients KT et KA sont déterminés en fonction de la largeur temporelle de l’impulsion électromagnétique. Ainsi, il est possible de prendre plus ou moins en compte l’erreur provenant de l’une des techniques de mesure en fonction de la largeur d’impulsion. A titre d’exemple, il est possible de déterminer le coefficient KT égal à la valeur «0,9» pour les impulsions courtes, c’est-à-dire par exemple inférieure à dix microsecondes, de déterminer le coefficient KT égal à la valeur «0,1» pour les impulsions longues, c’est-à-dire par exemple supérieure à cent cinquante microsecondes, et de déterminer le coefficient KT à une valeur intermédiaire, par exemple selon une fonction linéaire lorsque la largeur d’impulsion n’est ni courte ni longue. Le coefficient KA peut être calculé en fonction de la valeur du coefficient KT pour avoir une somme des coefficients KT et KA égale à la valeur «1». Une telle détermination des coefficients KT et KA permet de bénéficier de la précision de calcul par interférométrie pour les impulsions électromagnétique de longue durée et de bénéficier de la précision de calcul par différence de temps d’arrivée pour les impulsions de courte durée.

L’étape de calcul d’erreur 607 se termine par une mémorisation de la position courante et de l’erreur ε calculée dans une table située dans la mémoire 302.

Le procédé prévoit à l’issue de l’étape de calcul d’erreur une étape de vérification d’erreur minimum 608. Le microprocesseur 310 compare la dernière erreur ε calculée avec les autres erreurs ε calculées qui ont été mémorisées. Si la dernière erreur ε calculée est inférieure à toutes les erreurs ε calculées précédentes alors on effectue l’étape de déplacement de position 609. Si la dernière erreur ε calculée n’est pas inférieure à toutes les erreurs ε calculées précédentes alors la plus petite erreur ε calculée est recherchée dans la table. La position courante de la plus petite erreur ε calculée est ensuite comparée avec toutes les positions pour vérifier que des calculs d’erreurs ont été réalisés pour des positions courantes variant dans toutes les directions d’une distance inférieure à un seuil de variation. Le seuil de variation peut être par exemple une valeur égale à la moitié de la plus petite erreur ε calculée ou à une autre valeur au plus égale à la plus petite erreur ε calculée. Si des calculs d’erreur n’ont pas été réalisés dans toutes les directions alors on effectue l’étape de déplacement de position 609. Si, par contre, des calculs d’erreur ont été réalisés dans toutes les directions alors la plus petite ε calculée correspond à une erreur minimale ε_minet le procédé passe à l’étape de vérification de conformité 610.

L’étape de déplacement de position 609 est une étape qui sert à déterminer une nouvelle position courante avant de réaliser à nouveau une étape de calcul d’erreur 607. Ce déplacement de position a pour but de déplacer progressivement la position courante vers une position correspondant à la position de l’éclair. Ainsi, lors de cette étape la position correspondant à la plus petite erreur ε calculée dans la table est incrémentée positivement ou négativement dans une direction en X, Y ou éventuellement en Z d’une valeur d’incrémentation pour obtenir une nouvelle position courante. Le choix de la direction peut être fait de manière arbitraire dès lors que la table ne comporte pas déjà un calcul d’erreur réalisé pour une position comprise entre cette nouvelle position courante et la position correspondant à la plus petite erreur ε calculée. La nouvelle position courante est ensuite utilisée comme position courante pour la réalisation d’une étape de calcul d’erreur 607. La valeur incrémentation est déterminée de la même manière que le seuil de variation afin d’arriver à une convergence de la position courante vers la position de l’éclair par itération des étapes de calcul d’erreur 607, de vérification d’erreur minimum 608 et de déplacement de position 609.

La convergence vers une erreur minimale ε_minayant été obtenue, le procédé réalise ensuite l’étape de vérification de conformité 610 qui compare l’erreur minimale ε_minà un seuil d’erreur acceptable avant de mémoriser la position correspondant à l’erreur minimale ε_mincomme position de l’éclair 31 au cours d’une étape de finalisation 610.

L’étape de finalisation 610 peut ensuite réaliser l’effacement de la table ayant été utilisée pour le calcul de l’erreur minimale ε_minafin de pouvoir faire un nouveau calcul correspondant à d’autres signaux.

Bien que ressemblant fortement à un calcul de position par calcul de différence de temps d’arrivée, l’algorithme qui vient d’être décrit est beaucoup plus rapide car la position de départ de l’algorithme peut être déterminée à proximité de la position de l’éclair, ce qui réduit le nombre d’itérations. En outre, le procédé prenant en compte conjointement le temps d’arrivée de l’impulsion électromagnétique et sa direction, le nombre de capteurs à prendre en considération peut être fortement réduit sans nuire à la précision de détermination de position. Ainsi, l’invention propose une solution qui améliore les techniques de l’état de l’art.

Comme indiqué au court de la description, certaines variantes sont possibles en fonction des besoins de l’utilisateur. Ainsi, il est possible de mettre en œuvre le procédé en deux ou trois dimensions suivant les besoins. De même, il est possible de n’utiliser le procédé qu’avec seulement deux capteurs et de ne réaliser une mesure d’angle que sur un seul des capteurs.

Également, bien que l’interférométrie corresponde à un mode de réalisation préféré pour la détection de direction des impulsions modulées, notamment pour étudier les éclairs intra-nuage qui produisent des impulsions modulées en UHF, il est tout à fait possible d’utiliser des méthodes de détection de direction à des fréquences plus basse. Ainsi, toute méthode de goniométrie ou autre permettant de réaliser une détection de direction de provenance d’une onde électromagnétique peut être utilisée. L’important est de coupler sur un même capteur la réception d’un signal électrique utilisable pour un calcul de différence de temps d’arrivée avec une mesure de direction de provenance.

La présente description se réfère à des angles de provenance de l’impulsion électromagnétique, car l’utilisation d’un repère polaire est particulièrement bien adaptée aux calculs qui ont été détaillés. Cependant, le repère polaire peut être remplacé par un repère cartésien et par «angle de direction» l’homme du métier comprendra que cela englobe plus largement une direction de provenance d’une impulsion électromagnétique.

Claims (11)

1. Procédé de localisation d’une source d’émission (31, 32) d’un rayonnement électromagnétique de type à impulsion modulée, mis en œuvre par un système de détection (3) comprenant au moins deux capteurs distants (2, C1, C2, C3) et une unité de traitement (30), chacun des au moins deux capteurs (2, C1, C2, C3) comprenant au moins deux éléments d’antenne (10) aptes à transformer un rayonnement électromagnétique en signal électrique et l’unité de traitement (30) comprenant au moins un microprocesseur (301) et au moins une mémoire (302) contenant des données et des programmes mis en œuvre par le microprocesseur (301) afin de mettre en œuvre le procédé de localisation de la source d’émission de rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce que le procédé comporte:
   - une étape de réception (601) pour recevoir un rayonnement électromagnétique et le transformer en une pluralité de signaux électriques représentatifs d’une impulsion modulée à l’aide de chacun des éléments d’antenne (10) de chaque capteur (2, C1, C2, C3),
   - une étape de datation (602) pour affecter une date de réception à chacun des signaux électriques correspondant à une date de l’impulsion modulée reçue par chaque élément d’antenne (10),
   - une étape de détection (603) d’une direction pour transformer les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes d’au moins un desdits au moins deux capteurs en au moins un angle (θ, θi, φ, φi) définissant une direction de réception par rapport à une position dudit au moins capteur,
   - une étape de synchronisation (604) pour sélectionner les signaux reçus ayant leurs dates de réception dans une fenêtre temporelle (70) prédéfinie pour chacun des capteurs et les comparer afin de déterminer si l’impulsion modulée provient d’une même source,
   - une étape de localisation (606, 607, 608, 609) pour déterminer une position de la source en fonction des dates de réception d’au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et dudit au moins un angle.
2. Procédé de localisation selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de détection d’une direction est réalisée par interférométrie en fonction d’un déphasage mesuré entre les signaux électriques provenant des au moins deux éléments d’antenne d’un même capteur.
3. Procédé de localisation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de localisation (606, 607, 608, 609) est réalisée par minimisation d’une erreur calculée (ε) à partir d’une position courante, l’erreur calculée prenant en compte une erreur d’angle (εa) entre l’au moins un angle (θ, φ) défini dans l’étape de détection d’une direction et un angle (θc, φc) correspondant à la position courante et une erreur temporelle (εt) entre une différence de dates de réception mesurées (T_j, T_k) pour des impulsions provenant d’une ou plusieurs paires de capteurs et une différence de temps d’arrivée calculée (Tc_j, Tc_k) desdites impulsions à partir de la position courante au niveau desdites une ou plusieurs paires de capteurs, et dans lequel la position courante initiale est localisée sur une droite déterminée par l’au moins un angle .
4. Procédé de localisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de détection d’une direction transforme les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes de chacun desdits au moins deux capteurs en au moins un angle (θi, φi) définissant une direction de réception par rapport à une position de chacun desdits au moins deux capteurs,
   dans lequel le procédé comporte une étape de pré-localisation (605) pour déterminer une position initiale en fonction desdits angles (θ1, θ2, φ1, φ2), et
   dans lequel l’étape de localisation détermine une position de la source en fonction des au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et desdits angles à partir de la position initiale.
5. Procédé de localisation selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de localisation est réalisée par minimisation d’une erreur calculée (ε) à partir d’une position courante, l’erreur calculée prenant en compte une erreur d’angle (εa) entre les angles (θi, φi) définis dans l’étape de détection d’une direction et des angles (θc_i, φc_i) correspondant à la position courante et une erreur temporelle (εt) entre une différence de dates de réception mesurées (T_j, T_k) pour les impulsions provenant d’une ou plusieurs paires de capteurs et une différence de temps d’arrivée calculée (Tc_j, Tc_k) desdites impulsions à partir de la position courante au niveau desdites une ou plusieurs paires de capteurs, et dans lequel la position courante initiale est la position initiale déterminée dans l’étape de pré-localisation.
6. Procédé de localisation selon la revendication 3 ou selon la revendication 5, dans lequel la minimisation de l’erreur est réalisée par variation de la position courante (609) et par calcul (607) de l’erreur calculée jusqu’à l’obtention d’une position courante correspondant à une erreur minimale (ε_min), et dans lequel ladite position courante correspondant à l’erreur minimale (ε_min) est attribuée à la localisation de la source.
7. Procédé de localisation selon l’une des revendications 3, 5 ou 6, dans lequel l’erreur calculée (ε) est réalisée par pondération de l’erreur d’angle (εa) et de l’erreur temporelle (εt) en fonction d’un coefficient (KT, KA) qui est déterminé en fonction de la largeur de l’impulsion.
8. Procédé de localisation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de synchronisation (604) détermine que des signaux électriques d’au moins deux capteurs (C1, C2, C3) proviennent d’une même source si les angles (θi, φi) associés audits signaux électriques convergent dans une zone de proximité spatiale cohérente avec une différence de date desdits signaux.
9. Procédé de localisation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de détection d’une direction (603) est réalisée par chacun des capteurs (2) de sorte que, suite à la réception d’une impulsion modulée d’un champ électromagnétique, chacun desdits capteurs transmette à l’unité de traitement une date de réception, un signal électrique numérisé correspondant à l’impulsion modulée reçue, et au moins un angle de provenance de ladite impulsion modulée reçue.
10. Système de localisation d’une source d’émission (31, 32) d’un rayonnement électromagnétique de type à impulsion modulée, comprenant au moins deux capteurs distants (2, C1, C2, C3) et une unité de traitement (30), chacun des au moins deux capteurs comprenant au moins deux éléments d’antenne (10) aptes à transformer un rayonnement électromagnétique en signal électrique et l’unité de traitement comprenant au moins un microprocesseur (301) et au moins une mémoire (302) contenant des données et des programmes mis en œuvre par le microprocesseur, caractérisé en ce que:
    - chaque élément d’antenne (10) de chaque capteur (2) est configuré pour recevoir (601) un rayonnement électromagnétique et le transformer en un signal électrique représentatif d’une impulsion,
    - chaque capteur (2) est configuré pour affecter (602) une date de réception à chaque signal électrique correspondant à une date de l’impulsion modulée reçue par chaque élément d’antenne (10),
    - le système (3) est configuré pour transformer (603) les signaux électriques reçus par les éléments d’antennes (10) d’au moins un desdits au moins deux capteurs (2, C1, C2, C3) en au moins un angle (θ, θi, φ, φi) définissant une direction de réception par rapport à une position dudit au moins capteur; pour sélectionner (604) les signaux reçus ayant leurs dates de réception dans une fenêtre temporelle (70) prédéfinie pour chacun des capteurs et les comparer afin de déterminer si l’impulsion modulée provient d’une même source; et pour déterminer (606, 607, 608, 609) une position de la source en fonction des dates de réception d’au moins deux signaux électriques provenant de chacun des capteurs et dudit au moins un angle.
11. Système de localisation selon la revendication précédente, dans lequel chacun des capteurs (2) est configuré pour déterminer un angle (θ, θi, φ, φi) de réception en fonction des signaux reçus par les éléments d’antenne (10) dudit capteur (2) et pour transmettre à l’unité de traitement une date de réception, un signal électrique numérisé correspondant à l’impulsion modulée reçue, et au moins un angle de provenance (θ, θi, φ, φi) de ladite impulsion modulée reçue.