Brevet FR2627865A1 — publié le 19890901

Radiomètre millimétrique notamment pour la localisation de foyers d'incendie L'invention concerne de manière générale la radiométrie millimétrique ou micro-onde. Plus particulièrement, l'invention concerne un radiomètre millimétrique pour l'aide à la localisation d'un foyer d'incendie caché par des fumées de combustion épaisses. Actuellement, certains incendies sont difficiles à maîtriser du fait que le personnel d'intervention ne peut localiser le ou les foyers d'incendie lorsque ceux-ci sont cachés par des fumées épaisses. Cette situation se rencontre souvent lorsque l'incendie prend naissance à l'intérieur d'unlocal fermé, ce qui constitue un risque très important en milieu urbain ainsi par exemplequ'à bord de navires. Pour ces types d'incendies à fumées épaisses, il est impossible d'utiliser un classique radiomètre infrarouge. En effet, les fumées épaisses ne sont pas transparentes aux rayonnements infrarouges de sorte que la localisation des foyers d'incendie à l'aide d'un tel radiomètre est impossible. Les radiomètres millimétriques connus, tels que le radiomètre de Dicke, sont des appareils de laboratoires encombrants et lourds et peuvent difficilement être utilisés pour l'aide à la lutte contre les incendies. De plus, leur coût est relativement très élevé. Dans ce type de radiomètre, une antenne reçoit un rayonnemement millimétrique par exemple dans la bande de fréquence de 34 GHz à 36 GHz. Cette antenne fournit un signal de mesure de bruit à une première entrée d'un commutateur hyperfréquence recevant à une seconde entrée -un signal de bruit produit par exemple par une charge adaptée à la température ambiante. Le commutateur est commandé par un signal de commande d'échantillonnage afin de fournir en sortie des échantillons 3U multiplexés du signal de mesure délivré par l'antenne et du signal de bruit délivré par la charge adaptée. Ces échantillons sont fournis à une première entrée d'un mélangeur dont une seconde entrée reçoit un signal de référence à 35 GHz produit par un 2- oscillateur local. Le mélangeur réalise une transposition de fréquences et délivre en sortie des échantillons de mesure transposés dans la bande de 0 à 1 GHz. Le commutateur hyperfréquence placé entre l'antenne et le mélangeur contribue pour une part importante au coût élevé du radiomètre de Dicke. Une solution envisageable pour réduire le coût de ce radiomètre serait d'éliminer ce commutateur fonctionnant dans la bande millimétrique et de le remplacer par un commutateur placé après le mélangeur et fonctionnant dans la bande des vidéofréquences. Un commutateur vidéofréquence est d'un coût dérisoire par rapport à un commutateur hyperfréquence. Le radiomètre permet ainsi d'atteindre une précision de mesure inférieure à la précision que permet d'atteindre un radiomètre de Dicke, du fait qu'un signal de bruit parasite introduit par le mélangeur et l'oscillateur local n'est pas éliminé et s'ajoute aux échantillons de mesure. Néanmoins, cette baisse de précision reste acceptable et n'est pas un handicap important pour certaines applications, notamment pour l'aide à la localisation de foyers d'incendie. La présente invention vise à fournir un tel radiomètre, de faible coût, faible poids et faible encombrement et se prêtant bien par sa conception à une intégration des circuits électroniques sous forme de circuits intégrés hybrides. A cette fin, un radiomètre millimétrique selon l'invention - pour évaluer à distance un écart entre la température d'une cible et une température moyenne ambiante, comprenant une antenne directive orientée vers la cible pour capter un rayonnement de bruit thermique émis par la cible, des moyens pour estimer un rayonnement moyen recu par l'antenne et dû à la température ambiante, des moyens recevant des premier et second signaux de mesure fournis respectivement par l'antenne et les moyens pour estimer pour produire dans une bande de fréquences intermédiaires prédéterminée des premiers et seconds échantillons multiplexés représentant respectivement le rayonnement émis par la cible et le rayonnement moyen; et des moyens analogiques pour évaluer ledit écart de température par détection quadratique, soustraction et intégration des premiers et seconds échantillons, est caractérisé - 3 - en ce que lesdits moyens pour produire comprennent des moyens directement reliés à l'antenne pour transposer en fréquence dans ladite bande le premier signal de mesure en un premier signal de mesure transposé, et des moyens pour commuter à une fréquence d'échantillonnage prédéterminée le premier signal de mesure transposé et le second signal de mesure afin de produire lesdits premiers et seconds échantillons multiplexés. Le radiomètre selon l'invention permet de détecter un écart de température minimum de 8 C d à une source chaude couvrant 300 cm2 et cachée par une fumée opaque à 90 C. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées du radiomètre selon l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la Fig. 1 est un schéma pour montrer l'utilisation d'un radiomètre selon l'invention pour localiser une source chaude ou foyer d'incendie caché par des fumées opaques; et - la Fig. 2 est un bloc- diagramme d'un radiomètre selon l'invention. En référence à la Fig. 1, la direction D d'une source chaude F, telle que foyer d'incendie, par rapport au radiomètre selon l'invention RA est donnée par un axe A du radiomètre RA. La source chaude F est située dans un local L délimité par des parois p. A l'endroit o est situé le radiomètre RA, la source chaude F n'est pas visible par un opérateur manipulant le radiomètre, le locai L étant envahi par des fumées opaques F0. La direction D est indiquée par l'axe A du radiomètre lorsqu'un maximum de rayonnement millimétrique est reçu par une antenne incluse dans le radiomètre. L'axe A est colinéaire à la direction du maximum de rayonnement du diagramme de rayonnement de l'antenne du radiomètre. Pour déterminer la direction D de la source chaude F, l'opérateur balaye horizontalement et verticalement avec le radiomètre toutes les directions possibles. Lorsque l'axe A est pointé vers la source chaude F, le radiomètre prévient l'opérateur en émettant un signal sonore ou visuel. La direction D que doit prendre l'opérateur pour se diriger vers la source chaude est alors déterminée. - 4 - Tout comme le radiomètre infrarouge, le radiomètre millimétrique permet de mesurer la puissance de bruit rayonnée par une source chaude caractérisée par une température Te du corps noir équivalent à ladite source. La correspondance entre la puissance de bruit totale P reçue par une antenne orientée vers la source et la température T de l'antenne est donnée par la relation de Nyquist: P = K.T.AB, o K est la constante de Boltzmann et AB la largeur de la bande spectrale considérée du rayonnement millimétrique. La température T de l'antenne est fonction du rayonnement moyen capté sur 4n sr (stéradian). La température T dépend du diagramme de rayonnement-de l'antenne, de la température Te du corps noir équivalent à la source chaude ainsi que de la transparence du milieu de propagation entre la source et l'antenne. 1 5 La détection d'une source chaude par le radiomètre millimétrique est possible à condition que la source soit suffisamment émissive et que le milieu de propagation soit très transparent aux ondes millimétriques. Tel est le -cas pour un foyer d'incendie caché par des fumées opaques. La température T de l'antenne est alors donnée par la relation: T a ET +(I-c) T o c est l'émissivité de la source chaude, telle que 0 l'environnement réfléchie par la source chaude. La température T mesurée par le radiomètre est fonction de la température de la source et de celle de l'environnement. La source chaude réfléchit les rayonnements provenant des parois du local et par un mécanisme analogue, les parois réfléchissent les rayonnements provenant de la source. Des essais effectués montrent que ces multiples réflexions ne gênent que très faiblement la localisation d'un foyer d'incendie dans un local du fait que les émissivités du foyer et des parois du local sont généralement élevées. En référence à la Fig. 2, le radiomètre selon l'invention comprend une antenne 1 pointée vers une cible C, telle que source chaude, un oscillateur local 2, un mélangeur 3, un commutateur 4, un circuit à diode de bruit ou une charge adaptée 5, un oscillateur -5d'échantillonnage 6, un circuit de-détection quadratique de bruit 7, un circuit d'amplification et filtrage 8, un détecteur synchrone 9, un intégrateur 10, un convertisseur tension-fréquence 11, et un casque d'écoute 12. L'antenne I est un cornet conique pour ondes millimétriques, typiquement adapté à la bande de fréquences de 34 GHz à 36 GHz. Le cornet est de préférence rainurée afin de diminuer les lobes secondaires du diagramme de rayonnement et d'augmenter la directivité du cornet. L'ouverture de l'antenne 1 est telle que. 4o l'utilisateur du radiomètre puisse balayer horizontalement et verticalement les différentes directions dans l'espace environnant avec une vitesse raisonnable typiquement de l'ordre de 0,125.r rd/s. L'antenne 1 est orientée vers la cible E à la température t et reçoit un rayonnement de bruit thermique RB; elle délivre un signal de mesure de bruit sb fonction de l'amplitude du - rayonnement RB. Le signal sb est appliqué à un premier accès d'entrée du mélangeur 3. L'oscillateur local 2 est une source d'onde millimétrique à diode de Gunn. L'oscillateur 2 produit un signal de référence ol de fréquence f =35 GHz. Le signal ol est appliqué à un second accès ol d'entrée du mélangeur 3. - Le mélangeur 3 est un mélangeur à double équilibre. Il délivre en sortie un signal de mesure de bruit SB équivalent au signal sb transposé dans une bande de vidéofréquences de 0 à I GHz. Le signal SB est produit par battement entre le signal sb délivré par l'antenne et le signal d'horloge ol. Soit une composante du signal de mesure de bruit sb de fréquence f dans la bande de 34 à 36 GHz; cette composante de fréquence f est transposée par le mmn mélangeur 3 dans la bande de vidéofréquences de 0 à 1 GHz en une composante de fréquence fi f mmf ol La composante de fréquence fM =35 GHz est transposée en une composante de fréquence fiO= GHz; la composante de fréquence f =34 GHz ou f =36 Glz est transposée mm mmn en une composante de fréquence fi=l GHz. Le commutateur 4 est un commutateur fonctionnant-dans la bande de vidéofréquences de 0 à I GHz. Il reçoit le signal SB et un signal de bruit DB délivré par le circuit à diode de bruit 5, -6- respectivement à des première et seconde entrées et un signal de. commande d'échantillonnage CE à une entrée de commande. Le signal de bruit DB produit par le circuit 5 est fonction de la température ambiante moyenne ta au voisinage du radiomètre si le circuit 5 est une charge adaptée. Le signal de bruit DB est d'un niveau sensiblement égal au niveau moyen du signal de mesure de bruit SB si le circuit 5 est une diode de bruit commandée en tension. Le signal CE est produit par l'oscillateur d'échantillonage 6; il est également fourni à une entrée de commande d'un commutateur 91 inclus dans le détecteur synchrone 9. Le signal CE est un signal périodique de fréquence Fe=l kHz. Le commutateur 4 délivre en sortie un signal d'échantillons de bruit EB composé alternativement d'échantillons SB du signal SB délivrés pendant des premières demi-périodes du signal CE et d'échantillons DB du signal DB délivrés pendant des secondes demi-périodes du signal CE. Le signal EB =SB +DB est fourni au circuit de détection quadratique de bruit 7. Le circuit de détection quadratique de bruit 7 comprend un amplificateur 71 ayant typiquement un gain de 70 dB dans la bande de vidéofréquences de 0 à 1 GHz, une diode de détection 72 et une résistance de charge 73. L'amplificateur 71 a pour fonction *i d'amplifier le signal EB à un niveau suffisant pour polariser la diode de détection 72. La diode 72 est polarisée dans la partie quadratique de sa courbe tension-courant de sorte qu'elle est traversée par un courant proportionnel au carré de l'amplitude du signal d'échantillons de bruit EB. Ce courant représente une. puissance de bruit correspondant au signal d'échantillons de bruit EB; il traverse également la résistance 73 et produit aux bornes de la résistance 73 un signal d'échantillons de puissance de bruit EB 2=SB 2+DB 2 qui est fourni en entrée au circuit d'amplification et filtrage 8. Le circuit d'amplification et filtrage.8 a pour fonction *2 d'amplifier le signal EB 2 et de le filtrer afin d'éliminer une composante continue et des composantes de fréquences élevées. Le signal EB *2 amplifié et filtré dans la bande de fréquences de 0,1 -7- Fe à 10 Fe, soit 0,1- à 10 kHz, est fourni par le circuit 8 au détecteur synchrone 9. Le détecteur synchrone 9 comprend le commutateur 91 et un amplificateur soustracteur 92. Le signal EB.2 amplifié et filtré. est appliqué à une entrée du commutateur 91. Des première et seconde sorties du commutateur 91 sont respectivement reliées à une entrée directe + et à une entrée inverse - de l'amplificateur 92. Le commutateur 91 commute en synchronisme avec le commutateur 4. La première sortie du commutateur 91 applique les échantillons SB*2 à l'entrée directe de l'amplificateur 92. La seconde sortie du commutateur 91 applique les échantillons DB 2 à l'entrée inverse de l'amplificateur 92. Le détecteur 9 délivre en sortie le signal d'échantillons ED 2=SB 2DB 2 qui est appliqué en entrée de l'intégrateur 10. L'intégrateur 10 est un intégrateur classique comprenant un circuit de remise à zéro initialisant l'intégrateur après une durée d'intégration prédéterminée. La durée d'intégration de l'intégrateur 10 est typiquement égale à I s. L'intégrateur 10 délivre en sortie un signal continu de mesure Vm dont le niveau représente à un instant donné quelconque to le résultat de 0 *2 l'intégration typiquement de dix échantillons SB 2 et de dix échantillons -DB2 pendant une durée d'intégration comprise entre * 2 l'instant to-I s et tO. Du fait que les échantillons -DB2 sont intégrés avec un signe négatif -, l'influence de la température ambiante ta est soustraite de la mesure, et l'amplitude du signal Vm représente l'écart de température t-ta entre la cible C et le milieu environnant. De plus, un signal parasite de bruit ajouté à la mesure par le commutateur 4 et différents circuits en aval, tels que les circuits 7, 8 et le détecteur 9, est éliminé du signal de mesure Vm et ainsi une précision de mesure plus élevée est obtenue. Le signal Vm est délivré par l'intégrateur 10 à l'entrée du convertisseur tension-fréquence 11. En pratique, la chaTne de' traitement en basses fréquences constituée par le circuit 8, le détecteur 9 et l'intégrateur 10 confère une amplification totale de l'ordre de 100 db afin de produire un niveau suffisant du signal Vm. Le convertisseur tension fréquence Il convertit le signal de mesure Vm en un signal périodique Sa de fréquence Fa comprise dans la bande des audiofréquences. La fréquence Fa est proportionnelle au niveau du signal Vm. Par exemple, la fréquence Fa du signal Sa est d'autant plus élevée que le niveau du signal Vm est élevé. Le signal Sa est fourni au casque d'écoute 12. L'opérateur est informé de la direction du foyer d'incendie lorsque la fréquence Fa du signal sonore délivré par le casque d'écoute 12 passe par un maximum. Selon une variante de réalisation, le convertisseur tension fréquence 11 et le casque d'écoute 12 sont remplacés par un vu-mètre. Le radiomètre selon l'invention se présente extérieurement sous la forme d'une "lampe torche" dans laquelle sont logés l'antenne 1, les.différents circuits 2 à 11, et une batterie rechargeable constituant des moyens autonomes d'alimentation. La batterie alimente les différents circuits. Avantageusement un support avec chargeur de batterie peut équiper le radiomètre. Ainsi en-dehors de ses heures de fonctionnement, le radiomètre est accroché à son support et le chargeur connecté à la batterie fournit un courant de recharge. De préférence, les différents circuits sont réalisés sous forme de circuits intégrés hybrides. Dans la partie hautes fréquences du radiomètre, les connexions entre l'antenne 1, l'oscillateur local 2 et le mélangeur 3 sont réalisées à l'aide de câbles coaxiaux à fiches de type K. Les différentes commandes du radiomètre sont limitées à un bouton marche-arrêt, un potentiomètre de réglage du volume dans le casque d'écoute, et un potentiomètre de réglage de gain de la cha3ne basses fréquences (circuits 8 à 10). -9- R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Radiomètre millimétrique pour évaluer à distance un-écart entre la température (t) d'une cible (C) et une température moyenne ambiante (ta), comprenant une antenne directive (1) orientée vers la cible (C) pour capter un rayonnement de bruit thermique (RB) émis par la cible (C), des moyens (5) pour estimer un rayonnement moyen reçu par l'antenne (1) et dû à la température ambiante (ta), des moyens (2, 3, 4 et 6) recevant des premier et second signaux de mesure (sb et DB) fournis respectivement par l'antenne (1) et les moyens pour estimer (5) pour produire dans une bande de fréquences intermédiaires prédéterminée (0 à I GHz) des premiers et seconds échantillons multiplexés (SB et DB) représentant respectivement le rayonnement (RB) émis par la cible (C) et le rayonnement moyen, et des moyens (6 à 10) pour évaluer ledit écart de température par détection quadratique, soustraction et integration des premiers et seconds échantillons (SB et DB), caractérisé en ce que lesdits moyens pour produire (2, 3, 4 et.6) comprennent des moyens (2 et 3) directement reliés à l'antenne (1) pour transposer en fréquence dans ladite bande (O à 1 GHz) le premier signal de mesure (sb) en un premier signal de mesure transposé (SB), et des moyens (4 et 6) pour commuter à une fréquence d'échantillonnage prédéterminée (Fe) le premier signal de mesure transposé (SB) et le second' signal de mesure (DB) afin de produire lesdits premiers et seconds * * échantillons multiplexés (SB et DB). 2 - Radiomètre conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bande de fréquences intermédiaires est comprise dans la bande des vidéofréquences, typiquement entre 0 et I GHz. 3 - Radiomètre conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite antenne (1) est un cornet pour ondes millimétriques, de préférence raihuré. 4 - Radiomètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour estimer (5) comprennent une diode de bruit pour produire en fonction de la température ambiante (ta) ledit second signal de mesure (DB). - Radiomètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur tensionfréquence (11) et un casque d'écoute (12) pour produire et - 10 - délivrer à un opérateur un signal sonore ayant une fréquence (Fa) fonction dudit écart de température. 6 - Radiomètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens autonomes d'alimentation tels qu'une batterie rechargeable.