Brevet FR2663128A1 — publié le 19911213

La présente invention concerne un procédé pour identifier de manière automatique les hydrométéores présents dans l'atmosphère, qu'ils soient ou non précipitants (pluie, neige, brouillard, brume). En météorologie, la répartition et le nombre de points d'observation sont des contraintes essentielles, car l'acquisition de données précises est très importante pour la réalisation de modèles et la correction ou l'infléchissement de leur évolution. Il existe donc un besoin de création de stations d'observation et de relevé des données aussi nombreuses que possible et de fonctionnement le plus indépendant possible de la présence d'opérateurs. On connait déjà des stations automatiques qui réalisent différents relevés tels que l'importance de précipitations, la température, les paramètres anémométriques. En revanche, des relevés plus "qualitatifs" tels que la nature des hydrométéores (brouillard, brume, pluie ou neige) sont encore du domaine de l'observateur humain. Il existe actuellement des appareils automatiques permettant d'apprécier "l'opacité" d'une atmosphère, essentiellement la densité de brouillard. Une réalisation de ce type d'appareil est décrite dans le brevet français nO 88 00561 (2 626 076). Il est appelé diffusomètre. Cet appareil détermine la visibilité en utilisant le phénomene de la diffusion arrière d'une lumière émise en direction de l'atmosphère à observer. On dispose ainsi d'une source lumineuse et d'un capteur de mesure de la fraction de la lumière faisant retour, ces deux dispositifs étant placés sur un même support compact. L'invention concerne un prolongement dans l'exploitation de ce diffusomètre qui, par un traitement approprié des signaux reçus, permet d'identifier la nature de l'hydrométéore présent dans l'atmosphère observée. Le traitement de ces signaux ou le résultat de ce traitement peut être affecté à une station centralisatrice à laquelle l'appareil serait relié d'une manière connue. Plus précisément, l'invention a donc pour objet un procédé d'identification automatique des particules d'hydrométéores, qui consiste à émettre une série d'impulsions lumineuses à une cadence de l'ordre du Hertz dans un volume déterminé de l'atmosphère à observer, à recueillir les signaux lumineux diffusés par les hydrométéores présents dans ce volume, à traiter les signaux recueillis pour en déterminer l'intensité moyenne et la variance pour la série d'impulsions considérée , à comparer ce couple de paramètres à des couples de référence correspondant à des hydrométéores identifiés et en déduire la nature de 1 'hydrométéore observé. Les couples de référence intensité moyenne variance sont déterminés par le traitement de signaux de lumière diffusée par des hydrométéores identifiés par ailleurs, et sont consignés dans un registre consulté lors de la comparaison susdite. On constitue ainsi une 2bibliothèque" d'échantillons dont chacun constitue une référence pour une atmosphère repérée. On constate par exemple qu'une atmosphère neigeuse correspond à un couple de références de haute intensité moyenne et de forte variance. A l'inverse, une brume engendrera une série de signaux dont l'intensité moyenne et la variance sont assez faibles. La variance d'un brouillard correspond à celle d'une brume mais l'intensité moyenne des signaux est plus importante. Enfin, la pluie correspond aux variances de la neige mais avec une intensité moyenne de signaux plus faible. Pour affiner la méthode d'identification dans les cas limites entre deux hydrométéores ayant une signature semblable du point de vue de la variance et de l'intensité moyenne, on ajoutera au procédé de base des phases supplémentaires permettant d'extraire des signaux recueillis par un traitement approprié de ceux-ci, des critères spécifiques de discrimination. Ainsi, pour distinguer un hydrométéore précipitant (pluie, neige ...) d'un hydrométéore non précipitant (brouillard, brume...), on réalise la transformée de Fourier des valeurs discrètes de l'intensité des signaux en fonction du temps de manière à rapporter ces intensités en fonction des fréquences multiples de la cadence du tir. On peut ainsi rapporter l'intensité moyenne des faibles fréquences à l'intensité moyenne des fortes fréquences. Si ce rapport est grand, il s'agira d'un hydrométéore non précipitant. Si en revanche ce rapport est faible (voisin de 1), il s'agira d'un hydrométéore précipitant. Par ailleurs, pour distinguer entre la pluie et la neige, on émettra deux impulsions successives séparées d'un temps déterminé de sorte qu'un même flocon de neige puisse être illuminé par chacune des deux impulsions successives tandis que ne le sera pas une goutte de pluie. En effet, la vitesse de chute de la neige est de l'ordre de 0,5 à 1,5 mètres par seconde tandis que la pluie peut tomber de 2 à 9 mètres par seconde. En procédant à l'analyse de la fonction d'autocorrélation des signaux captés successifs, on en déduira, la présence de neige si la valeur de cette fonction est élevée et une chute de pluie si elle est vaible. On peut également introduire dans le procédé de l'invention d'autres phases discriminatoires telles que la température de l'air ambiant (au dessus de 30 la présence de neige est exclue) et l'observation de l'état du sol. Cette observation peut être rendue automatique par comparaison des intensités moyennes de lumière diffusée et réfléchie par une cible installée au sol et éclairée par un projecteur, à des valeurs de référence correspondant à des états de surface de cette cible connus et correspondant à une couverture par des hydrométéores identifiés. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple de réalisation. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 illustre par des graphes de l'intensité du signal diffusé à chaque impulsion lumineuse, des situations de brouillard (hydrométéores non précipitants), pluie et neige (hydrométéores précipitants), - la figure 3 est une représentation graphique schématique de la situation relative des couples de valeurs de référence en fonction de l'hydrométéore observé, - la figure 4 est un graphe de représentation de l'intensité du signal lumineux reçu d'une cible éclairée en fonction de l'état de surface de celle-ci. Le dispositif représenté schématiquement à la figure 1 comporte une source d'impulsions lumineuses commandée par une unité de commande la au moyen de laquelle notamment la cadence des impulsions est réglée, émettant un faisceau 2 en direction de l'atmosphère à observer. En présence d'hydrométéore chaque faisceau 2 engendre un faisceau 3 de lumière diffusée qui est capté par un récepteur 4 comportant, par exemple, une photodiode 5 qui transforme l'énergie lumineuse reçue en un signal analogique qui est transformé en signal numérique par un convertisseur 6 étalonné par la lumière émise. Le signal numérique issu du convertisseur 6 est donc proportionnel à l'intensité lumineuse diffusée par les hydrométéores présents dans l'atmosphère A explorée. Ce signal est introduit dans une unité de traitement 7 qui, par le calcul, établit la valeur de l'intensité moyenne de la succession de signaux recueillis à l'occasion d'une mesure (de l'ordre de la centaine d'impulsions) ainsi que de la variance de cette collection de signaux. Ces deux paramètres sont ensuite comparés à des couples de valeurs de référence qui sont représentatifs d'hydrométéores identifiés, et qui sont stockés dans un registre 8. La constatation de l'identité ou de la proximité des valeurs calculées avec un couple de valeurs de référence préalablement enregistré, permet de déclarer que l'hydrométéore observé est de même nature que celui identifié correspondant au couple de valeurs de référence considéré. Le dispositif délivre donc en sortie 9 un signal significatif de cette nature. Ce signal peut être enregistré ou transmis en temps réel vers une station centralisatrice qui dispose de l'information quant à la nature des hydrométéores observés. Ce procédé de détermination automatique de la nature des hyrométéores a été rendu possible car on a observé qu'avec un diffusomètre tel que décrit à la figure 1 et qui correspond à l'appareil, objet du document rappelé en préambule, chaque hydrométéore (brouillard, pluie, neige) peut être caractérisé par ce couple de paramètres, intensité moyenne et variance, calculé pendant une campagne d'observation. En effet, la figure 2 illustre par un graphique les intensités de la lumière diffusée, pour chaque impulsion émise, par trois types d'atmosphères observés. Le relevé 10 correspond à une atmosphère pluvieuse. On remarque que l'intensité moyenne des pics de lumière diffusée est assez faible et la variance relativement forte. Ceci est la signature d'une pluie. Ainsi, un traitement par le calcul des signaux diffusés par une atmosphère à qualifier donnant une faible intensité moyenne et une forte variance conduit à conclure à la présence de pluie. Le relevé 11 correspond à l'observation d'une atmosphère par temps de neige. On constate que l'intensité moyenne des pics est plus élevée que pour la pluie et que la variance est du même ordre de grandeur que celle de la pluie. Les valeurs de ces deux paramètres diffèrent de ceux calculés à partir de l'observation précédente et sont la signature de la neige. Enfin, le relevé 12 a pour caractéristiques une faible variance et une intensité moyenne importante. Cette signature est celle du brouillard. Dans cet exemple, la croissance de l'intensité moyenne indique que le brouillard est allé en épaississant au cours de l'observation. La figure 3 montre que dans un repère ayant pour abcisse la variance et pour ordonnée l'intensité moyenne, chaque test d'observation duquel se déduisent les deux paramètres, permet de placer un point M, dans le quadrant formé par ce repère, significatif de l'atmosphère observée. En effectuant un grand nombre de campagnes d'observation d'atmosphères différentes, avec un dispositif comme celui de la figure 1 et en qualifiant l'atmosphère à laquelle correspond chaque point par l'observation visuelle, on réalise une collection de valeurs de référence dans laquelle chaque point est qualifié.On constate ainsi que le quadrant se divise sensiblement en quatre régions 13, 14, 15, 16, deux régions inférieures 13, 15, correspondant à des brumes et à des pluies caractérisées par de faibles intensités moyennes, et deux régions supérieures 14, 16, caractérisées par de fortes intensités moyennes, l'une 14 à faible variance correspondant au brouillard, et l'autre 16 à forte variance à la neige. On peut donc comparer à cette collection de référence (qui sera d'autant plus représentative que les mesures qui la constituent seront nombreuses) un couple de paramètres relevé en aveugle par le dispositif seul, qui correspond à un point donné donc à une qualification d'atmosphère. Cette collection, expliquée par le graphe de la figure 3, peut être traduite dans n'importe quelle autre représentation et notamment enregistrée dans un registre qui peut être exploré par un dispositif de traitement de l'information réalisant le calcul du couple de paramètres. La référence 20 de la figure 1 représente ce type d'appareil qui peut être directement associé au diffusomètre ou au contraire alimenté à distance par ce dernier, voire alimenté par des données préalablement enregistrées en sortie du diffusomètre. L'expérience a montré qu'il est ainsi possible de déterminer la nature des hydrométéores présents dans l'atmosphère observée avec plus de 90 % de certitude. Bien entendu, il existe des zones d'incertitudes qui notamment correspondent aux zones frontières notamment entre la pluie et la neige. Il est possible d'améliorer les performances du procédé, donc de diminuer le taux d'erreur dans les zones concernées par la mise en oeuvre de phases supplémentaires dans le procédé de l'invention. L'une de ces phases réside dans une phase de traitement du signal reçu. On procède par l'unité de traitement 7 à la transformée de Fourier des valeurs d'intensité reçues en fonction du temps pour obtenir une nouvelle série de valeurs d'intensité en fonction des fréquences (la fondamentale étant la fréquence de tir).On effectue la moyenne des intensités de basse fréquence et celle de haute fréquence (la fréquence de coupure étant choisie arbitrairement) et on rapporte la première valeur à la seconde. On constate que les valeurs élevées de ce rapport correspondent à un brouillard alors que les valeurs basses (proches de 1) correspondent à un hydrométéore précipitant (pluie ou neige). Un signal 21 significatif de la valeur haute ou basse de ce rapport peut être émis par l'unité de traitement 7 pour valider ou corriger une signature 9 incertaine. Une autre phase supplémentaire du procédé consiste à émettre une double impulsion au lieu d'une impulsion simple, chaque impulsion de cette double émission étant séparée d'un temps au plus égal au temps que mettrait un flocon de neige à parcourir la dimension verticale a de la zone A observée. Ainsi, un même flocon a de nombreuses chances d'être illuminé deux fois, alors qu'une goutte de pluie tombant beaucoup plus rapidement n'a aucune chance d'être deux fois éclairée. On comprend que les doubles signaux obtenus sont différents lorsqu'il s'agit de neige ou de pluie. Cette différence se détecte en faisant réaliser par le calculateur 7 une fonction d'autocorrélation des signaux successifs qui, si la valeur obtenue est haute, permet d'affirmer la présence de neige. Si au contraire cette valeur est basse, il s'agit de pluie. Les moyens informatiques pour assurer tous ces calculs sont disponibles sur le marché. Le calculateur 7, dans ce cas de double impulsion, peut encore émettre un autre signal 22 de validation ou de correction d'une signature 9 incertaine. Bien entendu, les calculs et traitements de l'unité 7 décrits précédemment peuvent être réalisés même avec une double impulsion lumineuse. Dans ce cas, les calculs ne prennent en compte que la première impulsion. Par ailleurs, on peut prévoir sur le dispositif une sonde thermique 23 qui ne déclenchera la double impulsion lumineuse que si on se trouve dans une zone de température inférieure à 30, seule possibilité d'être en présence de neige. Dans ce cas, la sonde thermique émet un signal 24 en direction de l'unité de commande la de la source lumineuse, en même temps qu'un signal 25 en direction de l'exploitation des informations. Dans d'autres cas, il peut être avantageux d'assister le procédé selon l'invention d'une autre phase de discrimination qui consiste à observer la lumière réfléchie et diffusée par la surface d'une cible déterminée soumise à une lumière incidente déterminée. Des expériences ont été menées avec une cible dont la surface est granuleuse et de couleur sombre. Celle-ci est éclairée sous une incidence de 200 par rapport à la normale avec une lampe au xénon. Deux récepteurs sont dirigés vers cette cible : un récepteur symétrique de la source par rapport à la normale pour recueillir la lumière réfléchie et un récepteur voisin de la source pour recueillir la lumière diffusée. Ce récepteur de lumière diffuse offre un intérêt pour distinguer, pour une même lumière réfléchie, entre de l'humidité sur la cible ou du givre. La figure 4 illustre par un graphique l'intensité de la lumière réfléchie par la plaque cible selon qu'elle est sèche (zone 17), mouillée (zone 18) ou enneigée (zone 19). Par ce moyen, il est possible de décider de la nature de l'atmosphère dans une station équipée d'un diffusomètre et d'une cible, pour un couple de paramètres situé à la frontière entre les deux zones, en comparant les signaux émis par la cible éclairée "en aveugle" avec ceux de référence tels qu'illustrés par la figure 3. On mentionnera également que le rayonnement lumineux diffusé par la cible permet de discriminer aisément une humidification d'une inondation et donc une pluie faible d'une pluie violente. Par ailleurs, le matériel à mettre en oeuvre est sensiblement identique au diffusomètre, ce qui est avantageux pour la création de stations nouvelles. En outre, cette phase renseignant sur l'état du sol, les informations supplémentaires recueillies peuvent présenter un intérêt pour elles-mêmes (détermination de conditions de circulation...). La finesse de discrimination peut être améliorée en examinant l'historique et l'évolution des signaux traités. Ainsi, en présence de neige, la cible commence par être humidifiée pour ensuite être recouverte, ce qui correspond à une variation importante de l'intensité lumineuse réémise. On notera enfin qu'il est possible par le procédé de l'invention d'exploiter la valeur moyenne des intensités de lumière diffusée en vue de connaître les intensités de précipitation. On peut en effet fournir à l'unité de traitement une fonction (déterminée expérimentalement) liant cette intensité moyenne à un niveau de précipitation déterminé par un pluviomètre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'identification automatique des particules d'hydrométéores, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre une série d'impulsions lumineuses (2) dans un volume (A) déterminé de l'atmosphère à observer, à recueillir les signaux lumineux (3) diffusés par les hydrométéores présents dans ce volume, à traiter les signaux recueillis pour en déterminer l'intensité moyenne et la variance pour la série d'impulsions considérée, à comparer ce couple de paramètres à des couples de référence correspondant à des hydrométéores identifiés et en déduire la nature de l'hydrométéore observé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couples de référence intensité moyennevariance, sont déterminés par le traitement de signaux diffusés par des hydrométéores identifiés par ailleurs, et sont consignés dans un registre (8) consulté lors de la comparaison susdite. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de discrimination supplémentaire consistant à calculer le spectre de fréquence par transformée de Fourier de l'intensité des signaux, à calculer le rapport de l'intensité moyenne des faibles fréquences sur l'intensité moyenne des fortes fréquences et à émettre un signal (21) significatif de la valeur élevée ou faible de ce rapport. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporteune phase de discrimination supplémentaire consistant à émettre une double impulsion lumineuse, l'écart de temps séparant chaque impulsion de chaque paire étant au plus égal au temps le plus bref mis par un flocon de neige à traverser verticalement (a) la zone (A) d'atmosphère observée, à analyser la fonction d'auto-corrélation de deux signaux consécutifs au moyen de l'unité de traitement (7) et à émettre un signal (22) significatif de la valeur haute ou basse de cette fonction. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter la température ambiante et à vérifier la nature de l'hy- drométéore observé avec celle déduite de la valeur de la température par rapport à 30C. 6. Procédé selon la revendication 1 et la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à commander l'émission d'impulsions doubles pour une valeur de la température inférieure à 30C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de discrimination supplémentaire consistant à comparer l'intensité moyenne de lumière (17, 18, 19) réfléchie par une cible éclairée à des valeurs de référence correspondant à des états de surface de cette cible identifiés par les hydrométéores qui la recouvrent et à vérifier la nature de l'hydrométéore observé avec celle déduite de la surface de la cible. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cible est de couleur sombre, de surface granuleuse, la lumière incidente et la lumière réfléchie étant inclinées de 200 par rapport à une normale à la surface de la cible.