Brevet FR2632724A1 — publié le 19891215

*1 2632724 L'invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de mesure de la visibilité à travers un milieu diffusant d'opacité variable et notamment mais non exclusivement à un dispositif permettant de détecter 1'apparition de brouillard et de déterminer la visibilité correspondante notamment pour adapter les conditions de circulation dans le domaine des transports routiers, fluviaux, maritimes ou aériens. Dans ce domaine, la visibilité est la distance maximum à laquelle un objet peut étre perçu par une personne de vision normale. Elle dépend, d'une part, des particularités du brouillard, d'autre part des caractéristiques de l'objet (lumière émise ou réflectance de son matériau) et enfin de la façon dont le brouillard est éclairé (uniformément ou localement). - 15 Les particularités du brouillard se traduisent par le coefficient de perte d'énergie d'un faisceau lumineux par unité de distance provoqué par la diffusion des gouttelettes (figure 1). On sait que cette atténuation ou perte d'énergie est liée à un coefficient (K) de diffusion lumineuse des particules du milieu, telles les gouttelettes d'un brouillard, lesquelles suivant le type de brouillard peuvent avoir des granulométries différentes. La granulométrie influe sur la probabilité pour les photons de se faire dévier d'un certain angle par-diffusion (sur une gouttelette). Cette probabilité de diffusion est généralement traduite par une variable dite fonction de phase des gouttelettes. Pour une longueur d'onde A du rayonnement incident et une granulométrie des gouttelettes donnée, la théorie de Mie permet de calculer ces fonctions de phase et d'en tracer les courbes représentatives en fonction de l'angle de diffusion. La visibilité (V) proprement dite dépend évidemment aussi, comme indiqué plus haut, d'une part des caractéristiques propres à l'objet à percevoir telles la lumière qu'il émet, sa réflectance... et d'autre part, de l'éclairement reçu par le milieu. 2 2632724 Pour s'affranchir de ces variables, il suffit de se référer à la perception diurne, sous éclairement solaire, d'un objet qui n'émet pas de lumière et qui est de réflectance nulle (objet noir); la visibilité standard (Vs) est alors, dans cet s exemple de l'application au brouillard, généralement fixée à trois virgule neuf divisé-par le coefficient K (Vs = 3,9/K). Dans la situation o l'on chercherait à déterminer le coefficient K, la seule quantité à déterminer serait donc le rapport entre les énergies du faisceau reçu et du faisceau initial (Ex/Eo0). Afin d'apprécier cette relation, on connait (FR-A-2.229.322) un dispositif comprenant, face à face, à une certaine distance, un émetteur tel un projecteur et un récepteur tel une cellule photo-électrique ainsi qu'un circuit établissant le rapport entre l'énergie captée et l'énergie supposée émise dite de référence (figure 1). Ce dispositif s'avère encombrant et complexe à mettre en place car exige un bon alignement des projecteur et récepteur. Aussi, pour remédier à au moins certains de ces inconvénients, on connait des dispositifs qui, au lieu de mesurer la lumière transmise au travers du brouillard, mesurent la lumière diffusée par les gouttelettes de ce brouillard. Selon l'un de ces dispositifs (FR-A-2.470.815) on mesure la lumière diffusée vers l'avant c'est à dire déviée d'un angle 0 compris entre 0 et 90 de sa direction d'émission ce qui bien entendu laisse pratiquement entier les problèmes liés à l'encombrement (figure 2a). Selon d'autres dispositifs, on mesure la lumière rétro-diffusée c'est à dire pour un angle & allant de 90 à 180 de la direction d'émission (figure 2b). Dans un dispositif de ce genre (FR-A-2.584.497) l'axe du récepteur forme avec celui du projecteur un angle 9 très plat de l'ordre de 170 à 174 , ce qui a l'avantage de permettre de regrouper projecteur et récepteur en un ensemble compact mais on a constaté que les mesures étaient entachées d'erreurs variant en fonction de la granulométrie du brouillard. Afin de tenter de limiter ces erreurs de mesure, liées aux différentes granulométries des brouillards, selon un autre dispositif (FR-A-2.440.550) on mesure, sur un très large angle 3 2632724 0 (d'au moins 45 a 110 et de préférence de 10 à 120 ), la lumière tant diffusée que rétrodiffusée. Si cela permet d'atténuer l'erreur, on note dans ce document que même avec une fourchette angulaire allant de 10 à 120 , l'erreur peut encore être de Il %. Un résultat que l'invention vise à obtenir est un procédé et un dispositif de rétrodiffusion qui assurent une mesure de la visibilité avec une précision indépendante de la granulométrie du brouillard. A cet effet, elle a pour objet un tel procédé notamment caractérisé en ce qu'on mesure la rétrodiffusion dans la direction comprise dans la fourchette d'angles selon lesquels, pour la longueur d'onde propre à la lumière qui est émise, tendent à se confondre toutes les courbes de variation des fonctions de phase en fontion de l'angle entre la direction d'émission et celle de rétrodiffusion propres chacune à un brouillard de granulométrie différente de celle des autres courbes. Elle a également pour objet le dispositif en vue de la mise en oeuvre de ce procédé. Elle sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif à l'aide du dessin ciannexé qui représente schématiquement: - figure 1: le schéma de la mesure par transmission, - figures 2a et 2b: les schémas de la mesure par diffusion et par rétrodiffusion, X - figure 3: le schéma du dispositif, figures 4a à 4e: les courbes de granulométrie des différents types de brouillard connus, avec en abscisse le rayon des particules en microns et en ordonnée le nombre de particules par unité de volume (unité arbitraire) , - figures 5a à 5f: pour chaque type de brouillard présenté sur les figures 4, les courbes de fonction de phase pour différentes longueurs d'onde, avec en abscisse l'angle de diffusion en degrés et en ordonnée l'indice de diffusion, - figure 6: la courbe de variation en fonction de la longueur d'onde de l'angle e p pour lequel les courbes tracées sur les figures 5 se rejoignent. En se reportant à la figure 3, on voit un dispositif 1 de mesure de la visibilité à travers un milieu 2 tel une zone sujette à brouillards afin de détecter l'apparition de tels brouillards et d'y déterminer la visibilité correspondante c'est à dire la distance maximum (V) a laquelle un objet peut être perçu notamment par une personne de vision normale. A cet effet, le dispositif comprend un émetteur 3 d'un faisceau initial Eo de lumière artificielle projetée sur le milieu 2 et un récepteur 4. La présente invention s'applique, non pas à un dispositif de mesure de la transmission (figure 1) mais à un dispositif de mesure de la diffusion et plus spécialement à la rétrodiffusion (figure 2b) pour laquelle le récepteur 4 est disposé sensiblement au côté de l'émetteur 3 et, parmi la lumière diffusée par les particules 5 d'un milieu recevant le faisceau de lumière artificielle de l'émetteur 3, capte le flux 6 correspondant à la partie de cette lumière qui est renvoyée vers l'arrière et dans la direction 7 de l'entrée 8 de ce récepteur 4. Tenant compte de ce renvoi vers l'arrière, la direction 7 précitée forme avec le faisceau initial un certain angle obtus ep. Indépendamment du coefficient (K) qui est recherché, le flux 6 capté et donc le signal émis par le capteur 4 dépendent alors aussi, d'une part, d'une constante (A) établie par étalonnage et traduisant le dimensionnement notamment de l'ouverture 8 du capteur 4 et, d'autre part, d'une valeur (P&) qui caractérise la façon dont la lumière diffusée par les particules 5 est distribuée dans l'espace donc la probabilité pour qu'un photon soit dévié dans la direction 7 précitée. Pour la longueur d'onde \ de la lumière émise, cette valeur (Pe), dite fonction de phase, varie en fonction de l'angle (e) et des caractéristiques des particules du milieu et notamment, dans l'exemple du brouillard de sa granulométrie (figures 4a à 4e). Comme représenté, sur les figures 5a à 5f, les inventeurs ont pour des longueurs d'onde réparties sur un intervalle spectral donné s'étendant ici de la lumière visible et de celle proche de l'infra-rouge, superposé les courbes de variation du coefficent de rétrodiffusion en fonction de l'angle (). Chaque courbe est propre à un brouillard de granulométrie différente de celle des autres. Par cette étude de nombreux échantillons de milieux de types différents et leur superposition, les inventeurs ont mis en évidence que, de manière surprenante et dans tous les cas, pour une longueur d'onde donnée, dans une fourchette restreinte d'angles de rétrodiffusion, de surcroît situés hors des zones habituelles de mesures, les fonctions de phase des différents échantillons tendaient à se confondre. Aussi, selon une. caractéristique essentielle du procédé de l'invention, on mesure la rétrodiffusion dans la direction 7 comprise dans la fourchette d'angles selon lesquels, pour la longueur d'onde () propre à la lumière qui est émise, tendent à se confondre toutes les courbes de variation des fonctions de phase en fontion de l'angle (B) entre la direction d'émission et celle de rétrodiffusion propres chacune à un brouillard de granulométrie différente de celle des autres courbes. Les inventeurs ont également découvert que, pour une longueur d'onde (à) variant entre zéro virgule quatre et zéro virgule neuf micrométre, l'angle ( 6p) (situé au centre d'une fourchette d'angles de plus ou moins un degré'et trente minutes) suit une loi linéaire I p = 15,384 + 141,84 avec 9 p en degrés et ? en micromètres (figure 6). Aussi, selon une autre caractéristique de l'invention, afin d'éviter d'avoir à tracer et à superposer les courbes, l'angle ( appliquant la dite loi linéaire. Le dispositif en vue de la mise en oeuvre de l'invention (figure 3) est remarquable en ce qu'entre l'axe 9 -du faisceau initial de l'émetteur et la direction 7 de rétrodiffusion dans laquelle est positionné le capteur 4, l'angleeest déterminé selon le procédé précité et donc de manière que, pour la 6 2632724 longueur d'onde du faisceau initial, les courbes de fonction de phase tendent, pour une fourchette restreinte de valeur de (Op), à se confondre pour les différents types de brouillard étudiés. On a donc avec ce dispositif une mesure de visibilité du brouillard indépendante de la granulométrie de celui-ci. Par exemple pour A = 0, 66"bm correspondant à la longueur d'onde d'illumination de diodes électroluminescentes (LED), l'angle 8 p est de 152 plus ou moins 1 30'. En ce qui concerne l'émetteur, au lieu d'une source émettant une suite d'éclairs nécessitant des circuits électroniques complexes et très onéreux ou un éclairement selon un large champ très sensible à la lumière ambiante, selon l'invention, le faisceau initial est issu d'un ensemble de diodes électroluminescentes peu couteuses émettant, par exemple, une radiation de couleur rouge visible et ce faisceau est modulé par exemple à une fréquence de 244 Hz afin de le différencier de l'éclairage ambiant quant à lui constant sur la durée de la mesure. Pour limiter la consommation des circuits, on met l'appareil "en pause" si la visibilité détectée est supérieure à une valeur prédéterminée (par exemple à un kilomètre) et ceci durant un temps donné (par exemple vingt minutes). Par contre, si le seuil n'est pas atteint, on poursuit le fonctionnement du dispositif pour informer régulièrement sur l'évolution de la visibilité. Pour éviter une saturation du capteur par un signal ambiant trop élevé, on filtre le rayonnement se dirigeant vers le détecteur à l'aide d'un filtre interférentiel ll dont la bande passante est centrée sur la fréquence d'émission de l'émetteur, par exemple sur celle des diodes électroluminescentes. On mesure le signal correspondant à l'éclairage ambiant qui influe sur la visibilité et ce en début de cycle avant allumage des diodes et on associe ce signal au message numérique envoyé par le dispositif. Plutôt que d'intégrer une optique spécifique onéreuse, on limite le cône du faisceau initial par l'optique intégrée aux diodes utilisées. Indépendamment du filtre Il et d'une lentille d'entrée 12, le capteur comprend au foyer de la lentille un détecteur 13 tel une photodiode au silicium. De préférence, tout en ayant leurs axes inclinés par rapport à l'autre organe de l'angle caractéristique 0 p l'axe de l'un des organes que sont le capteur et l'émetteur, est horizontal ou (.à partir de - cet organe) au moins légèrement incliné vers le sol et l'autre organe est disposé au dessus de lui ce qui abrite les optiques des salissures. 8 2632724 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la visibilité à travers un milieu (2) tel une zone sujette à brouillards afin de détecter l'apparition de tels brouillards et d'y déterminer la visibilité correspondante c'est à dire la distance maximum (V) à laquelle un objet peut être perçu notamment par une personne de vision normale, lequel dispositif comprend un émetteur (3) d'un faisceau initial (E o) de lumière artificielle projetée sur le milieu (2) et un récepteur (4) qui, pour mesurer la rétrodiffusion, est disposé sensiblement au côté de l'émetteur (3) et capte, parmi la lumière -diffusée par les particules (5) d'un milieu recevant le faisceau de lumière artificielle de l'émetteur (3), le flux correspondant à la partie de cette lumière qui est renvoyée vers l'arrière et dans la direction (7) de l'entrée (8) de ce récepteur (4), laquelle direction (7) forme avec le faisceau initial un certain angle obtus e, selon lequel procédé indépendamment du coefficient (K) de diffusion qui est recherché, on tient compte d'une part d'une constante (A) établie par étalonnage et traduisant le dimensionnement notamment de l'ouverture (8) du capteur (4), et d'autre part d'une valeur (Pe) qui caractérise la façon dont la lumière diffusée par les particules (5) est distribuée dans l'espace et donc la probabilité pour un photon d'être dévié dans la direction (7) précitée, ce procédé étant CARACTERISE en ce qu'on mesure la rétrodiffusion dans la direction (7) comprise dans la fourchette d'angles selon lesquels, pour la longueur d'onde () propre à la lumière qui est émise, tendent à se confondre toutes les courbes de variation des fonctions de phase en fontion de l'angle ( autres courbes. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour une longueur d'onde () variant entre zéro virgule quatre et zéro virgule neuf micrométre, l'angle (O p), situé au centre d'une fourchette d'angles de plus ou moins un degré et trente minutes, suit la loi linéaire 5p = 15, 384j + 141,84 avec e p en degrés et en micromètres. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que pour une longueur d'onde \ = 0,66A m correspondant à la longueur d'onde d'illumination de diodes électroluminescentes, l'angle ep est de 152 plus ou moins 1 30'. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on met l'appareil "en pause" si la visibilité détectée est supérieure à une valeur prédéterminée et ceci durant un temps donné et en ce que, par contre, si le seuil n'est pas atteint, on poursuit le fonctionnement du dispositif pour informer régulièrement sur l'évolution de la visibilité. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que, pour éviter une saturation du capteur par un signal ambiant trop élevé, on filtre le rayonnement se dirigeant vers le détecteur à l'aide d'un filtre interférentiel (11) dont la bande passante est centrée sur la fréquence d'émission de l'émetteur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'en début de cycle, avant allumage de l'émetteur, on mesure le signal correspondant à l'éclairage ambiant qui influe sur la visibilité puis on associe ce signal au message envoyé par le capteur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 dont l'émetteur est formé de diodes électroluminescentes caractérisé en ce que, plutôt que d'intégrer une optique spécifique onéreuse, on limite le cône du faisceau initial par l'optique intégrée aux diodes utilisées. 8. Dispositif de mesure de la visibilité a travers un milieu (2) tel une zone sujette à brouillards afin de détecter l'apparition de tels brouillards et d'y déterminer la visibilité correspondante c'est à dire la distance maximum-(V) à laquelle un objet peut être perçu notamment par une personne de vision normale, lequel dispositif comprend un émetteur (3) d'un faisceau initial (Eo) de lumière artificielle projetée sur le milieu (2). et un récepteur (4) qui, pour mesurer la rétrodiffusion, est disposé sensiblement au côté de l'émetteur (3) et capte, parmi la lumière diffusée par les particules (5) d'un milieu recevant le faisceau de lumière artificielle de l'émetteur (3), le flux correspondant à la partie de cette 2632724 lumière qui est renvoyée vers l'arrière et dans la direction (7) de l'entrée (8) de ce récepteur (4), laquelle direction (7) forme avec le faisceau initial un certain angle obtus 6, selon lequel procédé indépendamment du coefficient (K) de diffusion qui est recherché, on tient compte d'une part d'une constante (A) établie par étalonnage et traduisant le dimensionnement notamment de l'ouverture (8) du capteur (4), et d'autre part d'une valeur (Po) qui caractérise la façon dont la lumière diffusée par les particules (5) est distribuée dans l'espace et donc la probabilité pour un photon d'être dévié dans la direction (7) précitée, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'émetteur (3) et le capteur (4) forment entre eux un angle compris dans la fourchette d'angles selon lesquels, pour la longueur d'onde (à) propre à la lumière qui est émise, tendent à se confondre toutes les courbes de variation des fonctions de phase en fontion de l'angle ( 9) entre la direction d'émission et celle de rétrodiffusion propres chacune à un brouillard de granulométrie différente de celle des autres courbes. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le faisceau initial est issu d'un ensemble de diodes électroluminescentes émettant une radiation modulée afin de la différencier de l'éclairage ambiant quant à lui constant sur la durée de la mesure. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce qu'indépendamment du filtre (ll) et d'une lentille d'entrée (12), le capteur comprend au foyer de la lentille un détecteur (13) tel une photodiode au silicium.