Brevet FR2538125A1 — publié le 19840622

Téldmetre de nuages. L'invention concerne un télémètre de nuages comportant un émetteur de lumière, un recepteur de lumiè- re et un dispositif de calcul, l'émetteur envoyant des impulsions lumineuses vers les nuages, le récepteur recevant, outre la lumière solaire diffusde, la lumière réfléchie par les nuages et par les perturbations atmo.s- phéniques rencontrées par les impulsions lumineuses, et délivrant un signal d'échos brouille, et le dispositif de calcul analysant ce signal d'echos pour fournir une information sur la hauteur des nuages. Les télémètres de nuages sont couramment employés aux abords des aérodromes afin d'évaluer la hauteur de la base des nuages et de permettre une plus grande sécurité du trafic aérien, notamment pour ce qui concerne les opérations de décollage et d'atterrissage. Alors que les premiers télémètres comprenaient des unités d'émission et de réception espacées de plusieurs mètres, les télémètres actuels consistent généralement en une unité monobloc d'émission-réception dans laquelle l'émetteur et le récepteur sont distants de quelques dizaines de centimetres. Bien que les télémètres actuels soient d'utilisations beaucoup plus aisee que les télémètres antérieurs, la proximité des faisceaux d'émission et de réception pose des problèmes spécifiques qui n'apparaissaient pas dans ces premiers télémètres. C'est ainsi que la technique de mesure utilis autrefois, consistant a délivrer une information dic-rè- te de hauteur des nuages en fonction seulement de la du- ree de l'intervalle de temps séparant l'instant d'émission d'une impulsion lumineuse de l'instant de réception de cette impulsion, ne peut plus être utilisée telle quelle dans les télémètres récents. En effet, en raison de la proximité des faisceaux d'émission et de reception, et de l'importance que prend en conséquence la diffusion lumineuse vers le récepteur, de l'impulsion émise, ces derniers appareils sont très sensibles à toute perturbation atmosphérique telle que pluie, brume ou brouillard rencontrée par le faisceau émis, de sorte qu'une information de hauteur de nuages fidèle ne peut etre élaborée que par une analyse très fine du signal d'échos brouillé, effectuée sur le spectre d'intensité en fonction du temps de ce signal d'échos. En l'absence -d'une telle analyse fine, le télB- metre, en cas de pluie, de brume ou de brouillard, peut indiquer par exemple une hauteur de nuages de 30 mitres correspondant a un écho proche du sol, alors que le nuage est a beaucoup plus grande altitude. Quel que soit le procédé utilisé, l'analyse fine du signal d'écho brouillé revient toujours A examiner les pentes positives du spectre d'intensité en fonction du temps du signal d'échos, chacune de ces pentes positives représentant effectivement un écho. Le problème rencontré dans les télémètres actuels est que, précisément, les perturbations telles que pluie, brume ou brouillard, font apparaître des pentes positives dans le spectre du signal d'échos au même titre que les nuages, et souvent même d'intensité plus importante. La solution généralement apportée a ce problème dans les télémètres actuels consiste tout simplement a masquer la partie basse du spectre du signal d'échos, c'est-à-dire celle qui correspond aux temps de réception les plus courts et aux altitudes les plus basses. Cette solution, qui revient donc à n'effectller l'analyse que sur la partie relativement haute du spectre, n'est pas satisfaisante, ne serait-ce qu'en raison de l'importance des informations sur les échos à basse altitude. Dans ce contexte, le but de la présente invention est de proposer un télémètre permettant de distinguer de façon sure et sans perte d'information les échos parasites et les échos de nuages. A cette fin, le télémètre de la présente invention est essentiellement caractérisé en ce que l'émetteur et le récepteur de lumière ont des axes optiques confondus. Grâce à cette disposition, l'écho parasite présente toujours, dans le spectre intensité-temps du signal d'échos, une pente négative, alors que l'écho de nuages continue à apparaître avec une pente positive. Ainsi, le dispositif de calcul peut délivrer une information de hauteur de nuages correspondant, dans le spectre intensité-temps du signal d'échos, au temps pour lequel apparaît le premier accroissement significatif de pente. Dans la forme préférée de réalisation du télé-mètre de l'invention, l'émetteur de lumière est une diode laser couplée à une lentille optique et le récepteur de lumière est une photodigde couplée à un miroir parabolique, l'émetteur étant placé dans l'axe du miroir parabolique, devant ce dernier par rapport à la direction d'é- mission, et n'obstruant qu'une faible.surface du champ de réception dudit miroir. Il est à noter que, si l'invention apporte une contribution décisive à la résolution du problème de sensibilité aux pluies, brumes et brouillards, la coaxialité de l'émetteur et du récepteur entraîne d'autres avan taxes par rapport aux télémètres connues. Par exemple, l'écartement latéral entre le récepteur et l'émetteur d'un télémètre connu peut être modifié par la dilatation et entraîner des erreurs de mesure. Cet écartement d'ailleurs n'est pas toujours facile à régler et à maintenir constant dans les télémètres qui ne sont pas de type compact. -Ce type de problème n'existe pas dans le télémètre de l'invention, ot les dilatations ntengen- drent aucune perturbation si l'on prévoit un agencement tel que la coaxialité soit conservée. D'autres avantages et caractéristiques apparai- tront à la lecture de la description d'un mode préféré de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe du télémètre de l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus de ce télémètre, - la figure 3 est un graphique représentant le signal d'écho obtenu grâce à un télémètre monobloc classique, - la figure 4 est un graphique du signal d'écho analogue obtenu grâce au télémètre de l'invention. Le télémètre 1 comporte un socle 2 de résine mou lée avec grillage 3 de cuivre incorporé pour le blindage. Le socle est monté sur trois pieds réglables 4. Une enveloppe 5 en résine moulée avec grillage de cuivre incorporé est montées:ur le socle 2 par l'inter médiaire de joints J en caoutchouc plats et collés sur ce socle. Un verrouillage à clef 6 peut être prévu, ainsi que des poignées rabattables 7. L'enveloppe 5, de forme générale prismatique ou cylindrique, est tronquée en biais à sa partie supérieure, sous un angle de 300,et retient par l'intermédiaire d'un joint caoutchouc moulé 8 une vitre inclinée 9, éventuellement chauffante. Des ouies d'aération grillagées inférieure 10 et supérieure 11 mettent en communication le volume interi- eur du télémètre 1 avec l'atmosphère. A l'intérieur du télémètre 1, un miroir parabolique 12 est fixe grâce à un support 13 monté sur le socle 2. Une chaufferette 14 couplée à un thermostat est prévue à ce niveau. Des entretoises 15 prennent appui sur le support 13 et supportent le carter 16 contenant la photodiode 17 dont la surface de réception est placée au foyer du miroir parabolique 12. Le carter 16 est surmonté du carter 18 enfermant l'émetteur de lumière constitué d'une diode laser 19 envoyant un faisceau de lumière au travers d'un volet de protection solaire 20 puis d'une lentille infrarouge 21 qui dirige un faisceau de rayons lumineux parallèles 22 vers des nuages 23 représentes sur la figure 1, sans respecter l'échelle. Le carter 18, cylindrique ou prismatj.que, s'appuie sur la vitre inclinée 9 par l'intermédiaire de joints caoutchouc moulés 24. Les rayons lumineux 22 sont réfléchis sur le nuage 23 en rayons lumineux 24 recueillis par le miroir parabolique 12 et concentrés sur la photodiode 17 via un volet de protection solaire 25 et un filtre interférentiel 26. Les carters 16 et 18 contiennent les amplificateurs de leurs diodes respectives et sont reliés par des connexions non représentées à une alimentation et une électronique 27 logées dans le télémètre et connectées d l'extérieur par un cible secteur 28 et un câble de mesure 29, l'électronique 27 comprenant au moins le dispositif de calcul de hauteur de nuages Ainsi, selon l'invention, l'émetteur de lumière 20, 21 et le récepteur de lumière 12, 17 ont des axes optiques confondus 30 et sont agencés de telle sorte que l'émetteur 20, 21 n'obstrue qu'une part négligeable du champ de réception du miroir parabolique 12 (environ 1/16e sur l'exemple représenté). II peut etre prévu au niveau des entretoises 15 des moyens permettant de régler la coaxialité des deux dispositifs. Du fait de la coaxialité des dispositifs émetteurs et récepteurs, on comprend que la réception d'une lumière réfléchie et/ou rétrodiffusée dès son émission par une perturbation telle qu'un brouillard ou une pluie fine se fait sans retard et s'enregistre dès l'instant zéro & son maximum d'intensité sur le signal d'écho. Les figures 3 et 4 permettent de mieux comprendre le phénomène. Elles représentent l'intensité i du signal d'écho en fonction de la hauteur h de l'obstacle réfléchissant (ou, ce qui revient au meme, en fonction du temps de réponse). rSur la figure 3j > - correspontaKt à un télémètre monobloc classique le signal d'écho comporte un écho 31 caractéristique d'une précipitation (ou brume ou brouillard), sur lequel se super pose un écho 32 caractéristique d'un nuage. Toute la difficulté de l'analyse du signal d'écho tient en ce qu'il ne faut pas confondre les deux échos et risquer d'interpréter le premier comme un écho de nuage. Or, la forme assez semblable des deux échos rend la dif férenciation difficile. En effet, le premier écho commence par une pente croissante du fait que le signal reçu est nécessairement nul au temps zéro en raison du décalage latéral entre l'émetteur et le récepteur. Selon l'invention, le signal d'écho se présente comme sur la figure 4. L'écho parasite 31'caractéristique d'une perturbation est maximal au sol et décrott en fonction de l'altitude par le double effet de la distance et de l'absorption de l'énergie lumineuse par les couches inférieures. La forme de l'écho parasite 31' est cette fois-ci clairement distincte de celle de l'écho de nuages 32'. On voit en effet que seul l'écho de nuage 32' se tra duit par un signal commençant par une pente positive. Dans ces conditions, il est aisé de délivrer une information de hauteur de nuage pour l'altitude, c'est-a-dire en core pour le temps, qui correspond à un accroissement significatif de la pente du signal d'écho. Naturellement, les figures 3 et 4 représentent des cas où le nuage est relativement bas, c'est-à-dire à une altitude proche de celle qui correspond à l'écho parasite. Le principe n'est pas modifié quand le nuage est plus haut et que son écho est reporté sur la droite des figures. Le traitement du signal d'écho peut également comporter la délivrance d'une information relative à l'écho parasite, ce qui permet d'informer l'utilisateur des conditions de transmissions atmosphériques défavorables dans lesquelles opère le télémètre. Le mode de réalisation du télémètre décrit ci-dessus est également avantageux en ce qu'il correspond à une augmentation du signal de réception dans un facteur de 5 à 10 par rapport aux télémètres dont l'optique de réception comporte une lentille. La durée de vie, la fiabilité de la diode émettrice ainsi que la fidélité de fonctionnement du télémètre peuvent etre encore augmentées grâce & l'emploi d'un dispositif incorporé de con trole de la sensibilité de l'ensemble émetteur/récepteur. De tels dispositifs de contrôle, bien que connus en soi, ne sont pas incorporés dans les télémètres monobloc actuels utilisant des lentilles pour l'émission et la réception, en raison de ce que la diode émettrice doit, dans ces télémètres, être utilisée au maximum de sa puissance admissible pour que le signal d'écho ait une intensité suffisante. Au contraire, dans le télémètre de l'invention, la surface importante du miroir permet à la réception de récupérer une quantité d'énergie suffisante pour obtenir un rapport signal/bruit très satisfaisant, de sorte que l'emploi d'un dispositif de contrôle de sensibilité permet de maintenir la puissance d'émission à une valeur beaucoup plus faible que la valeur maximale admissible. Cette disposition entraîne une augmentation considérable de la durée de vie, c'est-a-dire de l'intervalle de remplacement, de la diode émettrice, permettant ainsi une économie d'exploitation du télémètre et autorisant une réserve de puissance. Cette réserve de puissance'pourra être mise à profit dans des conditions de transmission défavorables (caractérisées par l'existence d'un écho parasite important), pour lesquelles le dispositif de contrôle pourra commander une augmentation de la puissance d'émission, compensant l'attenuation due à la pluie, à la brume ou au brouillard. REVENDICATIONS 1. Télémètre de nuages comportant un émetteur de lumière (19,.21),-un récepteur de lumière (12,17), et un dispositif de calcul (27), l'metteur envoyant des impulsions lumineuses (22) vers les nuages (23), le recepteur recevant, outre la lumière solaire diffusée, la lu mière réfléchie (24) par les nuages et par les perturbations atmosphériques rencontrées par les impulsions lumineuses, et delivrant un signal d'échos brouillé (31,32;31' 32'), et le dispositif de calcul analysant ce signal d'échos pour fournir une information sur la hauteur des nuages, c a r a c t é r i s é en ce que l'émetteur de lumière (19,21) et le récepteur de lumière (12,17) ont des axes optiques confondus (30). 2. Télémètre selon la revendication 1, dans lequel l'émetteur de lumière comprend une lentille optique(21), c a r a c t é r i s é en ce que le récepteur de lumière comprend un miroir parabolique (12) , l'6- metteur (19,21) étant placé dans l'axe (30) du miroir parabolique (12),devant ce miroir par rapport a la direction d'émission, et n'obstruant qu'une faible surface du champ de réception dudit miroir. 3. Télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é en ce que le dispositif de calcul délivre une information de hauteur de nuage correspondant à la hauteur pour laquelle apparat le premier accroissement significatif de la pente du signal d'écho (32')*