WO2019122763A1 - Systeme de detection interferometrique de foudre - Google Patents

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WO2019122763A1
WO2019122763A1 PCT/FR2018/053482 FR2018053482W WO2019122763A1 WO 2019122763 A1 WO2019122763 A1 WO 2019122763A1 FR 2018053482 W FR2018053482 W FR 2018053482W WO 2019122763 A1 WO2019122763 A1 WO 2019122763A1
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WO
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lightning
antenna
conductive elements
electromagnetic
antenna modules
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PCT/FR2018/053482
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English (en)
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Philippe CARDI
Jean-Yves Lojou
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Selerys
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    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0807—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by the application
    • G01R29/0814—Field measurements related to measuring influence on or from apparatus, components or humans, e.g. in ESD, EMI, EMC, EMP testing, measuring radiation leakage; detecting presence of micro- or radiowave emitters; dosimetry; testing shielding; measurements related to lightning
    • G01R29/0842—Measurements related to lightning, e.g. measuring electric disturbances, warning systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
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    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured
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    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/108—Combination of a dipole with a plane reflecting surface
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
    • H01Q21/205—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path providing an omnidirectional coverage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way

Definitions

  • the invention relates to the field of devices or systems in application with the detection and / or observation of electromagnetic sources.
  • Such devices or systems are used for all types of use and preferably but not exclusively, in connection with meteorological phenomena, and more particularly, to provide lightning detection functions, also known by the English name "lightning detection”. ".
  • the invention will be described preferentially but not exclusively in the context of prevention against lightning, that is to say in the context of actions aimed at reducing or aborting eventual damage that can cause storms, more particularly, lightning phenomena in territories more or less sensitive than others, such as cultivated areas, or on infrastructures for example.
  • Lightning has been the subject of many studies in the field of meteorology, since it has many dangers, which can cause serious damage, both in terms of material and human, such as, for example , the outbreak of fires, a possible electrocution of human beings and / or animals that could potentially lead to their death, electromagnetic interference possibly harmful to communications, aviation and / or navigation, destruction of electronic components in infrastructure and / or equipment.
  • lightning consists of a natural phenomenon of discontinuous electrostatic discharge, such a phenomenon generally occurring in regions of storm clouds charged with static electricity, that is to say either in or between such clouds (" Cloud lightning “according to English terminology), or between such clouds and the air or the ground (“ Cloud to Ground (CG) lightning “according to English terminology), the ground may include one or more zones land or sea.
  • CG Cloud to Ground
  • lightning causes the creation of a plasma, that is to say a medium consisting of a mixture of neutral particles, positive ions and negative electrons, produced in the air on the route of the discharge, resulting in the appearance of two previously mentioned phenomena: on the one hand the lightning, which spreads very rapidly, and on the other hand the thunder, which results from an explosive expansion of the air heated by the lightning, and spreads relatively slowly in comparison with the lightning.
  • a plasma that is to say a medium consisting of a mixture of neutral particles, positive ions and negative electrons
  • the thunder can resound of a noise, such a crunching, dry and immediate, when the flash is near, or, alternatively, rumble more widely in the distance, more particularly when the storm takes place in a mountainous region, by echo effects in particular. Because light travels much more quickly in the air than sound, lightning is usually visible long before thunder is heard, allowing us to estimate the approximate distance to which lightning has fallen.
  • a noise such as a crunching, dry and immediate
  • Storm clouds develop from cumulonimbus or cumulonimbus aggregates, also referred to as "storm clouds", such cumulonimbus clouds. which may contain a hundred thousand tons of water, hailstones and small ice crystals.
  • the said cumulonimbus are generally subjected to speed shears, that is to say variations of the wind speed as a function of altitude, to directional shears, that is to say variations of the orientation. wind depending on the altitude, and intense ascendances and subsidies.
  • This turbulence causes shocks between the particles constituting the cloud, in particular ice crystals and water droplets.
  • the redundancy of these clashes leads to the removal of electrons from particles and thus the appearance of charges.
  • the heavier particles harbor the negative charges while the lighter ones, supported by the updrafts, are positively charged.
  • a complex electrification process leads to the separation of positive and negative electrostatic charges, and thus the creation of an intense electric field.
  • an ionized channel is formed, also called a descending tracer, corresponding to the lightning and propagating by successive leaps from the cloud towards the ground.
  • the physical processes causing thunderstorms are complex and include many unpredictable elements that are subject to constant change.
  • the formation of storms also depends, for many, very variable local conditions, especially in terms of temperature and humidity, soils at the edge of which thunderstorms form, such conditions being more particularly conditioned by the nature of the soil, the type of vegetation, or the configuration of the relief itself depends on the presence of buildings.
  • the stormy phenomena are generally sudden, of short duration, ranging from a few tens of minutes to a few hours, and concern relatively limited areas, a few tens of kilometers.
  • the detection and location of storm phenomena is particularly complex.
  • lightning can be grouped into two main categories: lightning strikes on the ground, also known as “lightning strikes”, and lightning strikes that do not hit the ground. Within these two categories, lightning can be subdivided into other subgroups, as a function, for example, of the specific trajectory of such flashes and / or the direction of the electric current flowing in the light channels associated with each flash. .
  • the most common lightning usually does not hit the ground and is commonly referred to as “cloud lightning or intrafloud lightning”.
  • Such lightning of lower intensity lightning strikes on the ground, in particular, make it possible to reduce space charge differences in a cloud or between clouds.
  • the number of said intra-cloud flashes is a marker of convection of storm cells, well before the appearance of lightning strikes on the ground.
  • intra-cloud lightning can provide interesting and important indications for thunderstorms, such as, for example, their rate of growth and / or intensity, leading consequently to important applications in the immediate prediction of thunderstorms.
  • one or more intra-cloud flashes precede the first lightning strike, while the storm may have already begun to develop and become electrified.
  • a few minutes to a few tens of minutes may elapse between the first intraflat flash and the first lightning strike on the ground.
  • This delay may be, in certain cases, essential, since it makes it possible to use the observations made in link with intra-cloud lightning to provide warnings or warnings about lightning strike on the ground, depending on the position of a storm.
  • ToA-type geolocation techniques use the constant time difference between the arrival of low frequency signals and sensors positioned on the ground to calculate the location of meteorological events involving lightning strikes on the ground.
  • ToA-type geolocation techniques use the constant time difference between the arrival of low frequency signals and sensors positioned on the ground to calculate the location of meteorological events involving lightning strikes on the ground.
  • these techniques also present a certain a number of limits and disadvantages, especially in terms of terrain and the effect of conductivity on the speed of propagation of lightning signals.
  • each ToA-based detection system identifies a unique and specific function or shape of a signal to provide the most accurate arrival times of the order of one hundred nanoseconds.
  • a function or signal form must thus be considered common through a number of systems widely separated from each other, said systems being advantageously networked. Any signal shapes or functions must then be sufficiently separated in time, in order to reduce, or even avoid, the correlation errors between the systems.
  • ToA-type detection systems are very sensitive in terms of signal-to-noise ratio.
  • Interferometry consists of a measurement method exploiting the phase difference of a coherent electromagnetic wave, the phase then being measured by two receivers at two distinct points.
  • the use of interferometry is particularly clever, since interferometry-based detection systems do not require a specific form of signal and operate relatively easily on noisy signals.
  • Figure 1 shows a first example implementation of a known system for detecting an electromagnetic source by interferometry, already available on the market.
  • Such a known system 1 for detecting an electromagnetic source aims to capture the lightning totally, whether it is intra-cloud lightning and / or lightning striking the ground, since it exploits a only high frequency interferometry technologies to detect intra-cloud lightning, but also technologies with magnetic orientation and low-frequency arrival time to detect lightning strikes on the ground.
  • Said detection system 1 consists of an unambiguous network, such a system or network being advantageously arranged to operate at very high frequencies, that is to say in frequency bands between one hundred eleven (111) and one hundred and ten seven (117) megahertz.
  • said system 1 comprises at least five conductive elements in the form of five dipoles 2.
  • the system 1 is thus described as unambiguous, that is to say that the distance between the dipoles is less than half a wavelength, such a distance depending on the coupling terms between the dipoles.
  • said detection system 1 comprises a central portion 4, cooperating with each of the dipoles 2 respectively by means of an advantageously dimensioned dielectric element.
  • the five dipoles 2 of said system 1 are advantageously positioned equidistant from said central portion 4.
  • the latter is furthermore arranged to cooperate with a low-frequency sensor, said sensor using technologies with magnetic orientation at arrival time ( ToA) and / or magnetic gonometry at low frequency, said sensor being arranged to detect or locate lightning strikes.
  • a central portion 4 may also be configured to cooperate simultaneously and severally with a GPS location-based receiver system (for "Global Positioning System” in English terminology), thus enabling synchronization, calibration and calibration. other detection systems positioned at other places of interest and spatially separated.
  • the detection system 1 optionally comprises a mast 3 arranged to cooperate solidarily, that is to say according to a suitable mechanical connection, for example of the embedding type, the central portion 4 and also the detection elements of the system.
  • a mast 3 makes it possible in particular to position the system 1 for detecting an electromagnetic source at various locations of particular interest, particularly at the top of the infrastructure.
  • a known system 1 comprises at least five conductive elements in the form of five dipoles.
  • Such a system can thus be slightly redundant, since certain detections can provide identical information, resulting in identical or even superfluous treatments.
  • the particular architecture or arrangement of such a system for detecting a known electromagnetic source, such as that described with reference to FIG. 1 imposes on said system to be implanted at the culmination point of the structure or of the infrastructure over which it is positioned.
  • a system for detecting an electromagnetic source in the form of a network is advantageously arranged to operate at very high frequencies, that is to say in frequency bands. between one hundred eleven (111) and one hundred and seventeen (117) megahertz. Operating such a frequency band imposes a dimensioning accordingly the detection system and thus leads to the design of a cumbersome and heavy system.
  • the system in the form of an antenna array has the shape of a cylinder whose dimensions are substantially of the order of one hundred and twenty centimeters in diameter and one hundred and twenty centimeters in height.
  • the system is thus complex to install and / or maintain and not adapted for some installations and / or often existing infrastructures.
  • the arrangement of said system requires that no metal object can be positioned around the system at a distance substantially less than ten times the wavelength.
  • the invention thus makes it possible to respond to all or some of the disadvantages raised by the known solutions.
  • a system for detecting an electromagnetic source comprises two physically dissociated antenna modules, each an antenna module comprising two conductive elements, a planar reflector having a first face and a second face, said first faces of the planar reflectors of said antenna modules cooperating respectively and severally with said two conductive elements of said antenna modules, the two modules antenna being mutually arranged so that the second faces of their planar reflectors form a salient angle.
  • the planar reflectors of the antenna modules of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention can be respectively oriented to be substantially vertical.
  • the two conducting elements of each antenna module of said system can advantageously be dipoles.
  • the two elements conductors of each antenna module of the latter may have quadrilateral conductive surfaces.
  • the two conducting elements and the plane reflector of each antenna module of the latter can cooperate with the means of a dielectric element.
  • each antenna module of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry may consist of a metal mesh.
  • a system for detecting an electromagnetic source by interferometry may comprise four physically dissociated antenna modules, each module being antenna comprising two conductive elements, a plane reflector having a first face and a second face, said first faces of the planar reflectors of said antenna modules cooperating respectively and severally with said two conductive elements of said antenna modules, the four modules of antenna being mutually arranged so that the second faces of their planar reflectors form, two by two, an angle of ninety degrees.
  • each antenna module of said system in order to ensure optimum detection, and in particular to increase its accuracy, for example by avoiding unwanted pollution induced by other third-party electromagnetic sources, can be arranged to detecting an electromagnetic source producing an electromagnetic wave whose frequency band is selected from the set of frequency bands: between 111 and 117 megahertz, between 328.6 and 335.4 megahertz or between 1400 and 1427 megahertz.
  • each antenna module of a system for detecting an electromagnetic source By interferometry according to the invention can be arranged to simultaneously receive a plurality of frequency bands.
  • FIG. 1, previously described, illustrates an exemplary embodiment of a known lightning detection system
  • FIG. 2 illustrates a schematic view of a first embodiment of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention
  • FIGS. 3A and 3B show two schematic views of a second embodiment of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention
  • FIG. 4A, 4B and 4C show schematic respective views of non-limiting embodiments of antenna modules of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention.
  • Figures 2, 3A and 3B respectively show first and second embodiments of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention.
  • electromagnetic source also referred to as a "radio source” any source or more generally any element capable of emitting an electromagnetic field, such an electromagnetic field comprising one or several electromagnetic waves.
  • the best-known electromagnetic wave remains the light wave.
  • Such electromagnetic sources, and more generally such electromagnetic fields may advantageously be of natural origin, such as those at the origin of lightning or lightning, or created by human activity, such as those at the source of origin of x-rays used in radiography.
  • the invention will be described through an example of a preferred but non-limiting application in which the electromagnetic source consists of lightning or even one or more lightning.
  • indiscriminately expressions "lightning” and “lightning” to define the electrostatic phenomenon observed by a system according to the invention.
  • interferometry is understood to mean any measurement method making it possible to detect an electromagnetic source and / or an electromagnetic field as mentioned above, exploiting the phase difference of a coherent electromagnetic wave, the phase being then measured by two receivers at two distinct points, thus making it possible to evaluate the phase shift.
  • the use of interferometry-based systems is particularly clever, since methods based on interferometry have the advantage of operating independently of the shape of the electromagnetic wave or waves radiated by lightning or lightning, increasing the robustness of the systems with regard to the deformations that can undergo the wave or waves. The accuracy of the location of an electromagnetic source is thus not dependent on the environment and / or the distance separating the system from the lightning or flashes.
  • such systems based on interferometry are particularly effective for a large number of electromagnetic sources to observe and thus provide real-time information, unlike systems based on ToA techniques.
  • the ToA technologies impose to have knowledge a priori on forms of the electromagnetic waves to be observed and are limited in their use by the distances between the sensors composing a system of study, since the measurements of arrival time are limited by the travel time of distances between sensors of the same system.
  • the order of the electromagnetic waves can be possibly reversed or changed, directly impacting the measurements and consequently the location of the electromagnetic waves.
  • the principle of interferometry consists mainly in calculating the direction of an electromagnetic source by measuring the phase shift of one or more electromagnetic waves originating from the same source during their propagation, the measurement being carried out by means of a or several conductive elements.
  • the equation defining any detection or measurement performed and / or performed by a conductive element or dipole of an interferometric system, composed of at least two conductive elements or dipoles, is given by the following formula:
  • f is the elevation, that is the angle between a horizontal plane defined by the ground and the direction of the electromagnetic source
  • l is the distance between two conductive elements
  • Q is the azimuth, that is, the angle in the horizontal plane between the direction of the magnetic source and a reference direction;
  • F is the phase shift, that is to say the phase difference at the same time determined between two signals describing the electromagnetic wave per two conductive elements.
  • Such an equation shows a relation between said phase shift F of an electromagnetic wave and the azimuth Q and the elevation f, to locate the electromagnetic source.
  • the accuracy of such a location is only a function of the accuracy of the phase shift measurement, the accuracy of such a phase measurement depending solely on the signal level relative to the electromagnetic wave received and the integration time, that is to say the period of time during which the receiver must be exposed to the electromagnetic wave or the period of comparison time of the respective phases of the two signals coming from two conductive elements, thus making it possible to reduce or even remove the measurement noise, in this case between ten to a few hundred microseconds.
  • such a system based on interferometry will preferably but not exclusively be used to detect one or more electromagnetic sources, in this case for the detection of lightning, one or more lightning.
  • a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry in accordance with the invention comprises two antenna modules.
  • Antenna module means any element, object or device, generally metallic and / or electrically conductive, capable of capturing or detecting one or more electromagnetic waves in space.
  • Such an antenna module is thus considered as a juxtaposable or combinable element with other elements of the same nature or contributing to the same function, that is to say to one or more other antenna modules, able to detect one or more electromagnetic waves, making it possible to solve the interferometry equation and locate a flash.
  • All the antenna modules present within a system for detecting an electromagnetic source by interferometry are advantageously physically dissociated, that is to say that they do not have a common mechanical connection between the different modules. antenna.
  • Such an arrangement in the form of dissociated antenna modules is particularly advantageous, since said antenna modules are then directional and independent of their supports and therefore not subject to any interference due to their implantation sites.
  • at least two antenna modules are necessary to ensure such detection.
  • a system 1 according to the invention advantageously comprising two antenna modules dissociated with two conductive elements, can easily locate a flash at a given moment.
  • the location of a flash being performed in three dimensions it is thus necessary to perform two phase shift measurements respectively from two different angles. Nevertheless, when several, at least two, flashes, are observable at the same time determined, it may be necessary to use a larger number of antenna modules within the system.
  • the invention can not thus be limited to the use of this single number of antenna modules dissociated within a system 1 to detect an electromagnetic source by interferometry according to the invention. Also, the choice of a particular number of conductive elements or more broadly antenna modules with respect to another number, will depend mainly on the number of electromagnetic sources that can or wants to detect and locate concomitantly by a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention.
  • the number of antenna modules may also depend on the location of the electromagnetic source (s) to be observed.
  • an antenna module comprising N conductive elements can locate Nl sources emitting concomitantly.
  • the antenna modules of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention are dissociated, that is to say that there is no physical and / or mechanical cooperation between the different modules.
  • antenna 5 component said system.
  • Such dissociation makes it possible to make observations by sector and to simplify the implementation of the systems. Indeed, such a system proves for example particularly effective in areas or on sites where it is not possible to monolithic antenna systems such as that described in connection with Figure 1.
  • a system 1 at the Aiguille du Midi site, the summit is already equipped with telecommunication transmitters and can not accommodate a monolithic system.
  • a system 1 according to the invention thus allows to install antenna modules dissociated all around the nacelle and thus to overcome the radiation of different transmitters already existing and existing on site.
  • said system 1 can be installed around or on any post, such as a pylon type structure.
  • each antenna module 5 of a system 1 comprises two conductive elements 2.
  • Conduct element means any object consisting mainly of a body, generally but not exclusively a metal, for example aluminum or copper, the physicochemical characteristics of which permit the passage of an electric current, such object being intended to receive all or part of the electromagnetic energy emitted by a flash or more generally by lightning or a radiating source.
  • Such conductive elements are advantageously receivers and can thus be described as passive conductive elements.
  • the two conductive elements 2 of an antenna module 5 of a system 1 according to the invention can advantageously be separated by a distance substantially between ten and fifty centimeters, preferably twenty centimeters. .
  • said conductive elements are advantageously positioned along the same horizon line.
  • the presence of two conductive elements advantageously makes it possible to measure a phase shift, thus making it possible to determine the azimuth and elevation of a source electromagnetic generating an electromagnetic wave.
  • the invention can not be limited to the number of conductive elements present within each antenna module or the separation distance between such conductive elements.
  • One of the aims of the invention is in particular to propose a system for locating an electromagnetic source by interferometry, comprising at least two antenna modules, said system then having a directional emission diagram thus making it possible to overcome the infrastructures or, more generally, supports on which such antenna modules are installed and / or to avoid the coupling between the different antenna modules.
  • a coupling between the antenna modules, more particularly the conductive elements imposes a systematic calibration of the detection system, said system being very sensitive to mechanical variations.
  • the invention also makes it possible to offer a system for detecting an electromagnetic source by interferometry, comprising at least two antenna modules, said system then having a directional emission diagram thus making it possible to avoid possible reflections of soil.
  • each antenna module 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry also comprises a reflector 6.
  • a reflector 6 Any device capable of reflecting one or more electromagnetic waves.
  • such a reflector may be responsible for concentrating the received electromagnetic wave or waves towards the conductive elements.
  • such a reflector is preferentially but not exclusively planar.
  • such a plane reflector 6 advantageously has a first face 6i and a second face 6ii.
  • first and second faces 6i and 6ii make it possible and advantageously the positioning of each dissociated antenna module within the system according to determined distances, of the order of a few centimeters, or even a few meters, to a few tens of meters, so as mentioned above, to overcome the constraints related to the installation of antenna modules, the coupling of conductive elements between said antenna modules and / or ground reflections of electromagnetic waves.
  • the planar reflector 6 of each module of FIG. Antenna 5 of the latter may consist of a metal mesh.
  • a planar reflector in the form of a metal mesh is particularly advantageous, since such a reflector is relatively light, inexpensive and has a minimum wind catch, said antenna modules being generally installed outdoors and subject to possible weather constraints.
  • a metal mesh may have a network or mesh whose dimensions are ten times smaller than the wavelength, to ensure in particular the insulation of the conductive elements.
  • the invention can not be limited to the use of a specific arrangement, structure and / or composition of a reflector.
  • the choice of a particular arrangement, structure and / or composition of a reflector 6 with regard to another arrangement, another structure and / or another composition may depend, advantageously but without limitation, the electromagnetic source to locate or even more widely the position or location of a system 1 for detecting such an electromagnetic source by interferometry according to the invention in particular to further reduce manufacturing costs, installation and / or maintenance of such a system 1.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C show respective schematic views of non-limiting exemplary embodiments of antenna modules of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention.
  • FIG. 4A shows a first exemplary embodiment of an antenna module 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source according to the invention.
  • the two conducting elements 2 of each antenna module 5 may consist respectively of dipoles.
  • any element or receiver object consisting of two metal strands, supplied in its middle 2m, that is to say between such two strands, and intended to receive all or part of electromagnetic energy emitted by a lightning or more generally by lightning.
  • the use of conductive elements under the dipole form is particularly clever, since such dipoles are commonly used, so inexpensive, and what is more, easy to implement and insensitive to the coupling between conductive elements.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an antenna module 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source according to the invention.
  • the two conducting elements 2 of each antenna module 5 may consist respectively of dipoles.
  • any element or receiver object consisting of two metal strands, supplied in its middle 2m, that is to say between such two strands, and intended to receive all or part of electromagnetic
  • such coplanar dipoles may advantageously have a substantially trombone shape (also known by the English terminology "folded dipole").
  • Dipoles having such a trombone shape offer a number of advantages: firstly, the dipoles, grounded, have no accumulation of capacitive effect and do not require to be discharged. In addition, such dipoles have a better mechanical strength, thus providing a permanent installation over time.
  • the conductive elements are in the form of dipoles, as in the example described with reference to FIG.
  • the two conductive elements 2 and the reflective plane of an antenna module 5 of a system 1 according to the invention can advantageously be separated from a distance substantially between ten and fifty centimeters, preferably twenty centimeters.
  • FIG. 4B shows a second exemplary embodiment of an antenna module 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source according to the invention.
  • the two conductive elements 2 of each antenna module 5 may respectively have quadrilateral conductive surfaces.
  • such an antenna module 5 comprising two conductive elements 2 having quadrilateral conductive surfaces is considered a planar antenna, also called patch antenna according to English terminology.
  • the planar reflector can also be conductive. The use of such antenna modules in the form of planar antennas is particularly advantageous, since such antenna modules, by their very simple design, are very easy to produce industrially.
  • said antenna modules in the form of planar antennas have a small footprint compared to other antenna modules, thus allowing easy handling and installations, as well as easy integration against an existing structure, such as a building.
  • Such antenna modules in the form of planar antennas just like dipole antennas, have a specific resonance frequency.
  • said planar antennas have the advantage of being able to resonate at different frequencies, for example three hundred megahertz and / or one thousand four megahertz.
  • Such modules of antennas qualified multi-frequency allow to combine an ambiguous and unambiguous network and thus to increase the accuracy of measurements and to access a localization in three dimensions, even at low elevation.
  • the invention can not, however, be limited to the use of a specific conductive element arrangement or structure for the realization of a module antenna.
  • the choice of a particular arrangement or structure of conductive element with regard to another arrangement or structure may depend, advantageously but not limitatively, on the altitude or trajectory of the electromagnetic source to be observed and / or locate or even more widely the position or location of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention in particular to further reduce the costs of manufacturing, installation and / or maintenance of such a system.
  • the invention can not be limited to the number of conductive elements present within each antenna module.
  • an antenna module of the latter can comprise more than two conductive elements 2, in this case six conductive elements 2.
  • the use of a large number of conductive elements within an antenna module makes it possible to refine the directional lobe of the antenna module and thus increase the scope of such a module.
  • the first faces 6i of planar reflectors 6 of said antenna modules 5 cooperate respectively and severally with said two conductive elements 2 of said modules antenna 5.
  • Such cooperation between the first face 6i of a planar reflector 6 and the two conductive elements 2 may be embodied by any suitable mechanical connection, preferably of embedding type, advantageously permanent or possibly reversible.
  • Such an embedding connection can be achieved by any suitable fastening means, said first face 6i of a planar reflector 6 and the two conductive elements 2 being mutually arranged to ensure their assembly.
  • the conductive elements when the conductive elements are in the form of dipoles 2, such dipoles can be kept parallel to the reflector 6 by means of respective rectilinear poles describing a "V" association whose base cooperates without degree of freedom with the reflector.
  • the invention can not, however, be limited to this single embodiment.
  • the invention provides that the first face 6i of a planar reflector 6 and the two conducting elements 2 of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention can form or consist of one and the same physical entity.
  • the invention provides that the two conductive elements 2 and the planar reflector 6, more particularly its first face 6i, of each antenna module 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention can cooperate by means of a dielectric element 8.
  • a dielectric element proves particularly advantageous, since such a dielectric element does not conduct electricity and thus makes it possible to isolate the conductive elements of the first face 6i reflector, so that they can fully perform their function.
  • the two conductive elements 2 and the plane reflector 6 of FIG. such an antenna module 5 are advantageously and respectively separated by a dielectric plate, said dielectric plate may consist mainly of an epoxy resin.
  • the two antenna modules 5 of the latter are advantageously dissociated, that is to say, preferably but not limited to a few centimeters apart, even from a few meters to a few tens of meters, and mutually arranged so that the second faces 6ii of their planar reflectors 6 form a salient angle, that is to say an angle between zero and one hundred and eighty degrees.
  • the conducting elements 2 of said system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry are arranged in such a way that they do not interfere with each other, unlike the antenna system described in connection with
  • the second faces 6ii of the respective planar reflectors 6 of the two antenna modules of a system 1 according to FIG. the invention can form an angle substantially equal to ninety degrees, thus ensuring a better resolution and accuracy to finally locate and / or detect one or more electromagnetic sources.
  • planar reflectors 6 of such a system 1 can be respectively oriented to be substantially vertical.
  • planar reflectors 6 of such a system 1 may be respectively and also oriented to be substantially aligned on the same horizon line.
  • the conductive elements of said system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry may also be aligned horizontally, in particular to avoid ground echoes inherent to possible reflections of one or more electromagnetic waves on the ground.
  • a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry may comprise four antenna modules 5, said modules of FIG. antenna 5 being themselves physically and mechanically dissociated from each other, thus allowing the formation of an exploded system or antenna.
  • each antenna module 5 may comprise two conductive elements 2, able to measure a phase shift.
  • Such conductive elements 2 may also and respectively consist of dipoles or have quadrilateral conductive surfaces.
  • Each antenna module of the detection system further comprises a planar reflector 6 having a first face 6i and a second face 6ii, said first faces 6i of planar reflectors 6 of said antenna modules 5 cooperating respectively and severally with said two conductive elements. 2 of said antenna modules 5, possibly by means of a dielectric element.
  • the four antenna modules 5 may be mutually arranged so that the second faces 6ii of their planar reflectors 6 form in pairs at an angle of substantially ninety degrees. Arranged in this manner, the four antenna modules of a system 1 according to the invention can then scan an overlapping area of three hundred and sixty degrees.
  • Such a configuration not only makes it possible to overcome the infrastructure or more generally the supports on which such antenna modules are installed and / or to get rid of the coupling between the different antenna modules, but also to ensure a wider area of coverage possible to detect an electromagnetic source, ultimately increasing the sensitivity of the system.
  • each antenna module of the system can be sized, in order to be able to use several frequency bands.
  • each module An antenna 5 of a system 1 for detecting an electromagnetic source by interferometry according to the invention is arranged to detect an electromagnetic source producing an electromagnetic wave whose frequency band is selected from the following set of frequency bands: 111 and 117 megahertz, between 328.6 and 335.4 megahertz or between 1400 and 1427 megahertz.
  • the wider the frequency band the lower the noise level.
  • a detection frequency band of between 111 and 117 megahertz is particularly advantageous, since the lower the spectral band observed, the better the electromagnetic wave radiates and the better the signal.
  • a detection frequency band between 111 and 117 megahertz has the disadvantage of being close to the FM radio transmission and reception (ie emitting in frequency modulation), limiting then the detection ranges.
  • the use of a detection frequency band of between 328.6 and 335.4 megahertz or else between 1400 and 1427 megahertz is particularly advantageous, since said emission frequency bands are very restricted, or even forbidden, limiting thus noises or pollution.
  • such frequency bands have global coverage.
  • the antenna modules have a specific resonance frequency.
  • the invention further provides that said antenna modules can be arranged to resonate concomitantly at different frequencies, that is to say to be able to receive concomitantly several, at least two, frequency bands, for example three hundred megahertz and / or one thousand four megahertz.
  • Such modules of antennas qualified multi-frequency allow to combine an ambiguous and unambiguous network and thus to increase the accuracy of measurements and to access a localization in three dimensions, even at low elevation.
  • such an antenna module may consist of two conductive elements, preferably separated by a distance of approximately one half wavelength, each conductive element having dimensions less than half a wavelength. According to different embodiments:
  • the wavelength is substantially equal to one meter.
  • the conductive elements of each module are then substantially positioned at fifty centimeters from one another.
  • the conductive elements of each module are then substantially positioned at fifty centimeters from one another, for a receiving frequency of one thousand five hundred megahertz, the wavelength is substantially equal at twenty centimeters.
  • the conductive elements of each module are then substantially positioned at ten centimeters from one another.
  • the wavelength is substantially equal to seventeen centimeters.
  • the conductive elements of each module are then substantially positioned at eight centimeters from one another.
  • each antenna module of a system for detecting an electromagnetic source by interferometry can not be limited to the frequency bands selected for such detection.
  • Such dimensioning and / or adjustment of each antenna module may also depend on the phase excursion, also depending on the coupling effects, of the emission diagram of each antenna module corresponding to a directional lobe and / or any phase ripples, themselves dependent on the frequency.
  • a system for detecting an electromagnetic source may also include devices for detecting lightning strikes on the ground, such devices using technologies with magnetic orientation and low-frequency arrival time.
  • the invention can not be limited to the application in which the system 1 according to the invention is used.
  • such a system for detecting a source Electromagnetic interferometry according to the invention could be used in connection with high voltage lines having one or more sections whose insulation is defective, thus making it possible to anticipate the maintenance of such high voltage lines.
  • a system for detecting an electromagnetic source may comprise other accessories, in particular, by way of nonlimiting examples, to allow easy maintenance of the antenna modules on different supports or infrastructures or else processing means for adjusting, calibrating and / or adjusting the measurements.
  • Such accessories may be as non-limiting examples, chosen from one or more pre-amplifiers, filters, amplifiers and / or digitizers.
  • each antenna module in order to ensure the coherence of each acquisition line of an antenna module and to ensure adequate measurements between the antenna modules of a system for detecting an electromagnetic source conforming to the invention, each antenna module may comprise an emitter positioned between the conductive elements and the reflector plane, in order to regularly calibrate said system.

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Abstract

L'invention concerne un système (1) pour détecter une source électromagnétique par interférométrie, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules d'antenne (5), chaque module d'antenne (5) comprenant deux éléments conducteurs (2), un réflecteur plan (6) présentant une première face (6i) et une deuxième face (6ii), lesdites premières faces (6i) des réflecteurs plans (6) desdits modules d'antenne (5) coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs (2) desdits modules d'antenne (5), les deux modules d'antenne (5) étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces (6ii) de leurs réflecteurs plans forment un angle (α) saillant.

Description

Système de détection interféromé trique de foudre
L'invention concerne le domaine des dispositifs ou systèmes en application avec la détection et/ou l'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 détection ».
Dans la suite du document, l'invention sera décrite préférentiellement mais non limitativement dans le cadre de la prévention contre la foudre, c'est-à-dire dans le cadre d'actions ayant pour objectif de réduire ou d'avorter d'éventuels dommages que peuvent causer des orages, plus particulièrement, des phénomènes de foudre sur des territoires plus ou moins sensibles que d'autres, tels des zones cultivées, ou sur des infrastructures par exemple.
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. La foudre fait d'ailleurs l'objet de nombreuses études dans le domaine de la météorologie, puisque celle-ci présente de nombreux dangers, pouvant entraîner des dommages colossaux, 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 animaux pouvant entraîner potentiellement leur mort, des interférences électromagnétiques éventuellement nuisibles aux communications, à l'aviation et/ou à la navigation, des destructions de composants électroniques dans les infrastructures et/ou équipements.
Lors d'un orage, deux phénomènes sont couramment observés : un ou plusieurs éclairs consistant en une ou plusieurs décharges électriques engendrant une onde électromagnétique, résultats visibles de 1 ' échauffement de l'air, et du tonnerre correspondant à un bruit émis lors de la brusque dilatation de l'air échauffé lors du passage de ce courant. 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 chargées 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 de l'éclair, il est précédé et suivi de phénomènes électriques de plus faible intensité appelés respectivement précurseurs (« leader » selon une terminologie anglo-saxonne) et « streamer ». Ce sont en général les précurseurs qui déterminent le trajet des éclairs. On distingue deux grandes familles de précurseurs : les précurseurs ou traceurs par pas (« stepped leader » selon une terminologie anglo-saxonne) qui précèdent le premier arc de l'éclair nuage-sol et qui progressent vers le sol par bonds d'une cinquantaine de mètres de long, et les précurseurs continus (« dart leader » selon une terminologie anglo-saxonne) qui précèdent 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 et 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 entraine 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, 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 , également qualifiés de « nuages d'orage », 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 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 à 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 en d'autres sous-groupes, en fonction, par exemple de la trajectoire spécifique de tels éclairs et/ou de la direction du courant électrique circulant dans les canaux lumineux associés à chaque 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 que les éclairs frappant le sol, permettent notamment de réduire les différences de charges spatiales dans un nuage ou entre les nuages. Le nombre desdits éclairs intra-nuages est un marqueur 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 et est généralement nommée par la terminologie anglo-saxonne « Lightning Jump ». En effet, dans la plupart des orages que l'on peut qualifier d'ordinaires, les éclairs de nuages sont généralement plus nombreux que 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 intra- nuages beaucoup plus élevés que 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 que, par exemple leurs taux de croissance et/ou d'intensité, conduisant en conséquence 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 intra- nuage 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 « VHF-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 les abréviation et 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 de temps d'arrivée (également connu sous les abréviations et les terminologies anglo-saxonnes « ToA - Time of Arrivai » ou « ToF - Time of Flight ») pour la première fois dans la géolocalisation de la foudre. De telles techniques de géolocalisation de type ToA utilisent la constante différence de temps entre l'arrivée des signaux de basse fréquence et des capteurs positionnés au sol pour calculer la localisation d'évènements météorologiques comportant des éclairs frappant le sol. Toutefois, ces techniques présentent également un certain nombre de limites et d'inconvénients, notamment en matière de terrain et au regard des effets de conductivité sur 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 commune au travers d'un certain nombre de systèmes largement éloignés les uns des autres, lesdits systèmes étant avantageusement mis en réseau. Les éventuelles formes ou fonctions de signal doivent alors être suffisamment séparées dans le temps, afin de réduire, voire d'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 intra- nuages, 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 émettrice de champs électromagnétiques. De plus, le ou les supports sur lequel sont installés lesdits systèmes présentent également des contraintes, puisqu'ils doivent répondre à un certain nombre de caractéristiques spécifiques, afin notamment de limiter, voire même de supprimer les effets de masque, les réflexions multiples, les déphasages que pourraient subir les ondes électromagnétiques que l'on cherche à détecter.
Dans les cellules orageuses, il réside des dizaines de milliers de sources électromagnétiques sous la forme d'éclairs intra-nuages , contrairement aux éclairs frappant le sol. Lorsque la détection de telles éclairs intra-nuages est réalisée sur la base des 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 impossible d' obtenir des informations en temps réel sur les éclairs intra-nuages en employant des technologies basées sur les ToA.
Grâce aux développements de nouvelles technologies et connaissances, face aux inconvénients mentionnés précédemment en lien avec 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 l ' 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 heure 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 », 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 heure d'arrivée (ToA) et/ou à gonométrie 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 récepteur géolocalisation de type GPS (pour « Global Positioning System » selon une terminologie anglo-saxonne) , permettant ainsi la synchronisation, le calibrage et l'étalonnage d'autres systèmes de détection positionnés à 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 légèrement redondant, puisque certaines détections peuvent apporter des informations identiques, entraînant des traitements identiques, voire 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 au point culminant de la structure ou de l'infrastructure au-dessus de laquelle il est positionné. Outre les difficultés que peut imposer une telle installation en matière de temps et de nombre d'opérateurs à réquisitionner pour une telle installation, mais également les difficultés de maintenance que peut en conséquence infliger 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 ledit 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 fréquences impose un dimensionnement en conséquence du système de détection et entraîne ainsi la conception d'un système encombrant et lourd. En effet, le système sous la forme d'un réseau d'antennes présente la 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.
L' invention permet ainsi 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 par interférométrie selon l'invention, nous pouvons mentionner que celui-ci:
offre un système permettant de se positionner sur tout type d'infrastructures, 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 employés dans de nombreux lieux, un tel système étant peu sensible à d'éventuelles réflexions de sol ;
permet d'augmenter la précision de la localisation et/ou de la détection des éclairs, par l'emploi d'une ou plusieurs bandes de fréquences pour un même module d'antenne d'un système de détection. A cette fin, il est notamment prévu un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie . Afin d'assurer la capture ou détection d'une telle source électromagnétique et plus particulièrement de garantir l'observation des éclairs intra-nuages , un système pour détecter une source électromagnétique conforme à l'invention comporte deux modules d'antenne physiquement dissociés, 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, les deux modules d'antenne étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces de leurs réflecteurs plans forment un angle saillant.
Préférentiellement mais non limitativement, les réflecteurs plans des modules d'antenne d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention peuvent être respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
Selon un mode de réalisation avantageux mais non limitatif de réalisation d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention, afin de faciliter la mise en œuvre de ce dernier, les deux éléments conducteurs de chaque module d' antenne dudit système peuvent avantageusement être des dipôles .
En variante ou en complément, afin de faciliter la fabrication, l'installation et la maintenance, d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention, les deux éléments conducteurs de chaque module d' antenne de ce dernier peuvent présenter des surfaces conductrices quadrilatères.
De manière avantageuse mais non limitative, afin de garantir un fonctionnement optimal d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention, les deux éléments conducteurs et le réflecteur plan de chaque module d'antenne de ce dernier peuvent coopérer au moyen d'un élément diélectrique.
En variante ou en complément, pour faciliter la fabrication et l'installation de chaque module d'antenne d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention sur des supports divers et variés, le réflecteur plan de chaque module d'antenne de ce dernier peut être constitué d'un maillage métallique.
Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, pour garantir une précision optimale de détection d'une source électromagnétique, un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention peut comporter quatre modules d'antenne physiquement dissociés, 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, les quatre modules d'antenne étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces de leurs réflecteurs plans forment, deux à deux, un angle de quatre- vingt-dix degrés.
Selon un exemple de réalisation préféré mais non limitatif d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention, afin d'assurer une détection optimale, et notamment accroître sa précision, en évitant par exemple une pollution intempestive indue par d'autres sources électromagnétiques tierces, chaque module d'antenne dudit système peut être agencé pour détecter une source électromagnétique produisant une onde électromagnétique dont la bande de fréquence 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.
Pour permettre 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, chaque module d'antenne d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention peut être agencé pour réceptionner concomitamment une pluralité de bandes de fréquences.
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 premier mode de réalisation d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention ; - les figures 3A et 3B présentent deux vues schématisées d'un deuxième mode de réalisation d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention ;
- les figures 4A, 4B et 4C présentent des vues schématiques respectives d'exemples de réalisation non limitatifs de modules d'antenne d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention.
Les figures 2, 3A et 3B présentent respectivement des premier et deuxième modes de réalisation d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention.
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. 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 de la ou des ondes électromagnétiques rayonnées par la foudre ou les éclairs, augmentant la robustesse des systèmes au regard des déformations que peuvent subir la ou 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 .
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 et/ou 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 : où :
Figure imgf000022_0001
f est l'élévation, c'est-à-dire l'angle entre un plan horizontal défini par le sol et la direction de la source électromagnétique ;
l est la distance entre deux éléments conducteurs ;
l est la longueur d' onde ;
Q 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 ;
F 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 F d'une onde électromagnétigue et l'azimut Q et l'élévation f, 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 Q et l'élévation f, et finalement la localisation de l'onde électromaqnétique . 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 électromaqnétiques , en l'espèce pour la détection de foudre, un ou plusieurs éclairs.
Selon un premier mode de réalisation décrit en lien avec la fiqure 2, un système 1 pour détecter une source électromaqnétique par interférométrie conforme à l'invention comporte deux modules d'antenne 5 Au sens de l'invention et 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. Tous les modules d'antenne présents au sein d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie sont, de manière avantageuse, physiquement dissociés, c'est-à-dire qu' ils ne présentent pas de liaison mécanique commune entre les différents modules d'antenne. Un tel agencement sous la forme de modules d'antennes dissociés s'avère particulièrement avantageux, puisque lesdits modules d'antenne sont alors directifs et indépendants de leurs supports et donc non soumis aux éventuelles interférences dues à leurs sites d'implantation. 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 pour assurer une telle détection. En effet, un système 1 conforme à l'invention, comportant avantageusement deux modules d'antenne dissociés à deux éléments conducteurs, peut permettre d'aisément localiser un éclair à un instant déterminé. La localisation d'un éclair étant effectuée en trois dimensions, il est ainsi nécessaire d'effectuer deux mesures de déphasage respectivement sous deux angles différents. Néanmoins, lorsque plusieurs, au moins deux, éclairs, sont observables à un même instant déterminé, il peut être nécessaire d'employer un nombre plus important de modules d'antennes sein du système. L'invention ne saurait ainsi être limitée à l'emploi de ce seul nombre de modules d'antenne dissociés au sein d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention. Aussi, le choix d'un nombre particulier d'éléments conducteurs ou plus largement de modules d'antenne au regard d'un autre nombre, dépendra principalement du nombre de sources électromagnétiques que l'on peut ou veut détecter et localiser concomitamment par un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention. Éventuellement, le nombre de modules d'antenne peut également dépendre de l'emplacement de la ou des sources électromagnétiques à observer. Ainsi, un module d'antenne comportant N éléments conducteurs pourra localiser N-l sources émettant concomitamment. Les modules d'antenne d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention sont dissociés, c'est-à-dire qu'il n'existe pas de coopération physique et/ou mécanique entre les différents modules d'antenne 5 composant ledit système. Une telle dissociation permet d'effectuer des observations par secteur et de simplifier l'implantation des systèmes. En effet, un tel système s'avère par exemple particulièrement efficace dans les zones ou encore sur les sites où il n'est pas possible des systèmes monolithiques d'antennes tels que celui décrit en lien avec la figure 1. Selon un premier exemple, sur le site de l'aiguille du Midi, le sommet est d'ores et déjà équipé de d'émetteurs de télécommunications et ne peut ainsi accueillir un système monolithique. Un système 1 conforme à l'invention permet ainsi d'installer des modules d'antennes dissociés tout autour de la nacelle et ainsi de s'affranchir du rayonnement des différents émetteurs d'ores et déjà existants et existants sur site. Selon un deuxième exemple, ledit système 1 peut être installé autour de ou sur n' importe quel poteau, tel une structure de type pylône.
Pour assurer la détection par interférométrie d'une ou plusieurs ondes électromagnétiques, chaque module d'antenne 5 d'un système 1 conforme à l'invention comprend deux éléments conducteurs 2. 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 ou 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. Selon un exemple préféré mais non limitatif, les deux éléments conducteurs 2 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 outre, lesdits éléments conducteurs sont avantageusement positionnés selon une même ligne d'horizon. Comme précisé précédemment, la présence de deux éléments conducteurs permet avantageusement de mesurer un déphasage, permettant ainsi de déterminer l'azimut et l'élévation d'une source électromagnétique produisant une onde électromagnétique. Néanmoins, l'invention ne saurait être limitée au nombre d'éléments conducteurs présents au sein de chaque module d'antenne ou encore la distance de séparation entre de tels éléments conducteurs.
L'un des buts de l'invention est notamment de proposer un système pour 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. En effet, 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 pour détecter 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 d'éventuelles réflexions de sol.
Pour ce faire, chaque module d'antenne 5 d'un système 1 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 réflecteur est préférentiellement mais non limitativement plan. Conformément à différents modes réalisation de modules d'antenne décrits en lien avec les figures 3A, 3B, 4A à 4C, un tel réflecteur plan 6 présente avantageusement une première face 6i et une deuxième face 6ii. La définition de telles première et deuxième faces 6i et 6ii permettent notamment et avantageusement le positionnement de chaque module d'antenne dissocié 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 système pour détecter une source 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 pour détecter une telle source électromagnétique par interférométrie 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 4A, 4B et 4C présentent des vues schématiques respectives d'exemples de réalisation non limitatifs de modules d'antenne d'un système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à 1 ' invention .
La figure 4A présente un premier exemple de réalisation d'un module d'antenne 5 d'un système 1 pour détecter une source 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, 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 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 4A, 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 4A, 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 4B présente un deuxième exemple de réalisation d'un module d'antenne 5 d'un système 1 pour détecter une source 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 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 cent mégahertz et/ou mille quatre 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 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention décrit en lien avec la figure 4C, 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 le lobe directionnel du module d'antenne et ainsi d'accroître la portée d'un tel module.
Afin d'assurer une cohésion des éléments constituant les modules d'antennes d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 2 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 maintenues 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 4B et 4C notamment, l'invention prévoit que la première face 6i d'un réflecteur plan 6 et les deux éléments conducteurs 2 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 6i, de chaque module d'antenne 5 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention puisse coopérer 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 6i du réflecteur, afin qu' 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 4B et 4C, 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 epoxy.
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 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention, tel que celui décrit en lien avec la figure 2, 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 6ii de leurs réflecteurs plans 6 forment un angle 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 dudit système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 6ii des réflecteurs plans 6 respectifs des deux modules d'antenne d'un système 1 conforme à l'invention peuvent former un angle 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 un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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, toujours pour s'affranchir d'éventuelles réflexions au sol, les réflecteurs plans 6 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 dudit système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie peuvent également être alignés horizontalement, 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 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention décrit en lien avec les figures 3A et 3B, ce dernier peut comporter quatre modules d'antenne 5, lesdits modules d'antenne 5 étant également eux-mêmes dissociés physiquement et mécaniquement les uns des autres, permettant ainsi la formation d'un système ou antenne éclatée. A l'instar du premier mode de réalisation d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention décrit en lien avec les figures 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 6i et une deuxième face 6ii, lesdites premières faces 6i 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. Toujours selon les figures 3A et 3B, les quatre modules d'antenne 5 peuvent être mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces 6ii de leurs réflecteurs plans 6 forment deux à deux un angle sensiblement de quatre-vingt-dix degrés. Disposés de cette manière, les quatre modules d'antenne 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 du système puisse être dimensionné, afin de pouvoir utiliser plusieurs bandes de fréquences. Préférentiellement mais non limitativement, chaque module d'antenne 5 d'un système 1 pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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 FM (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.
Comme mentionné précédemment, les modules d'antennes ont une fréquence de résonance spécifique. L'invention prévoit en outre que lesdits modules d' antenne puissent être agencés pour résonner concomitamment à différentes fréquences, c'est-à-dire être aptes à réceptionner concomitamment plusieurs, au moins deux, bandes de fréquences, comme par exemple trois cents mégahertz et/ou mille quatre 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.
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 système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie 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.
L' invention a été décrite lors de son utilisation en lien avec des applications de détection de foudre, plus particulièrement la détection d'éclairs intra-nuages . 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. Pour ce faire, un système pour détecter une source électromagnétique conforme à l'invention peut également comporter des dispositifs pour détecter des éclairs frappant le sol, de tels dispositifs exploitant des technologies à orientation magnétique et à heure d'arrivée à basse fréquence. L'invention ne saurait être limitée à l'application au sein de laquelle le système 1 conforme à l'invention est employé. Selon une autre mode de réalisation, un tel système pour détecter une source électromagnétique par interférométrie conforme à l'invention pourrait être employé en lien avec des lignes à haute tension comportant une ou plusieurs sections dont l'isolant est défectueux, permettant ainsi d'anticiper la maintenance de telles lignes à haute tension.
En outre, un système pour détecter une source électromagnétique conforme à l'invention peut comprendre d'autres accessoires, pour notamment, à titre d'exemples non limitatifs, permettre un maintien facilité des modules d'antenne sur différents supports ou infrastructures ou encore des moyens de traitement pour régler, étalonner et/ou ajuster les mesures. De tels accessoires peuvent être à titre d'exemples non limitatifs, choisis parmi un ou plusieurs pré-amplificateurs, filtres, amplificateurs et/ou numériseurs. En variante ou en complément, afin de s'assurer de la cohérence de chaque ligne d'acquisition d'un module d'antenne et de garantir des mesures adéquates entre les modules d'antennes d'un système pour détecter une source électromagnétique conforme à l'invention, chaque module d' antenne peut comprendre un émetteur positionné entre les éléments conducteurs et le plan réflecteur, afin d'étalonner régulièrement ledit système.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (1) pour détecter une source électromagnétique par interférométrie, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules d'antenne (5) physiquement dissociés, chaque module d'antenne (5) comprenant deux éléments conducteurs (2), un réflecteur plan (6) présentant une première face (6i) et une deuxième face (6ii), lesdites premières faces (6i) des réflecteurs plans (6) desdits modules d'antenne (5) coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs (2) desdits modules d'antenne (5), les deux modules d'antenne (5) étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces (6ii) de leurs réflecteurs plans forment un angle (a) saillant.
2. Système (1) selon la revendication précédente, pour lequel les réflecteurs plans (6) sont respectivement orientés pour être sensiblement verticaux.
3. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel les deux éléments conducteurs (2) de chaque module d'antenne (5) sont des dipôles.
4. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, pour lequel les deux éléments conducteurs (2) de chaque module d'antenne (5) présentent des surfaces conductrices quadrilatères.
5. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel les deux éléments conducteurs (2) et le réflecteur plan (6) de chaque module d'antenne (5) coopèrent au moyen d'un élément diélectrique (8) .
6. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel le réflecteur plan (6) de chaque module d'antenne (5) est constitué d'un maillage métallique.
7. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant quatre modules d'antenne (5) physiquement dissociés, chaque module d'antenne (5) comprenant deux éléments conducteurs (2), un réflecteur plan (6) présentant une première face (6i) et une deuxième face (6ii), lesdites premières faces (6i) des réflecteurs plans (6) desdits modules d'antenne (5) coopérant respectivement et solidairement avec lesdits deux éléments conducteurs
(2) desdits modules d'antenne (5), les quatre modules d'antenne (5) étant mutuellement agencés de sorte que les deuxièmes faces (6ii) de leurs réflecteurs plans (6) forment deux à deux un angle (a) sensiblement de quatre-vingt-dix degrés.
8. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel chaque module d'antenne (5) 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.
9. Système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel chaque module d'antenne (5) est agencé pour réceptionner concomitamment une pluralité de bandes de fréquences.
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