Brevet FR2764382A1 — publié le 19981211

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la détection de givre, de glace ou de neige, notamment à la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Il existe deux types de risques liés au givre sur les avions : le givrage en vol et le givrage au sol. En vol, le givrage survient lorsque l'avion rencontre en altitude des conditions météorologiques qui, par interaction avec l'écoulement aérodynamique de l'avion, provoquent l'accumulation de glace. Cette accumulation a lieu en des points particuliers prédictibles, notamment au niveau des bords d'attaque. Pour minimiser les risques d'accident, on installe généralement à bord des avions des dispositifs de dégivrage électrique ou pneumatique accompagnés ou non de détecteurs de présence de givre. Ces détecteurs et dispositifs de dégivrage sont placés aux endroits où se forment les accumulations. Les détecteurs embarqués sont par exemple des détecteurs à ultrasons, qui fonctionnent par détection d'une masse additionnelle, ou encore des détecteurs de type électriques, qui détectent la présence de substance diélectrique ; dans tous les cas, ils ne permettent de détecter la présence de glace que dans leur voisinage. Au sol, le givrage est dû à l'accumulation de glace, givre ou neige en l'absence d'écoulement aérodynamique. A l'inverse du givrage en vol, le givrage au sol peut survenir sur toutes les parties de l'avion. Ces accumulations sont à l'origine de risques importants pendant la phase de décollage : elles créent des modifications (pertes) sur les caractéristiques aérodynamiques de l'avion, alors que celles-ci sont critiques pendant la phase de décollage ; le décollement de la glace et son ingestion par les moteurs peut, notamment dans le cas d'avions à moteurs arrières, entraîner l'extinction desdits moteurs pendant le décollage. Les techniques de dégivrage et d'antigivrage utilisées actuellement consistent à appliquer sur toutes les parties de l'avion des fluides - appelés fluide de type 1 pour le dégivrage et fluide de type 2 pour l'antigivrage - composés principalement de glycol. Ces applications se font à partir d'installations fixes ou mobiles, telles que des portiques ou des camions équipés de nacelles. Ces techniques sont efficaces mais posent des problèmes d'exploitation. Notamment, les attentes sur les circuits d'accès à la piste d'envol peuvent être suffisamment longues pour que l'avion regivre avant même son décollage, obligeant ainsi à recommencer la procédure de dégivrage ou d'antigivrage. Par conséquent, les procédures de dégivrage ou d'antigivrage sont plus souvent utilisées qu'il ne serait nécessaire. Ceci représente un coût important pour les compagnies aériennes. Par ailleurs, ces procédures de dégivrage ou d'antigivrage sont mises en oeuvre alors que les passagers sont embarqués. Elles retardent les décollages et diminuent donc la ponctualité des vols. Egalement, les quantités importantes de glycol utilisées polluent les abords de l'aéroport. Pour minimiser l'impact de ces problèmes d'exploitation tout en maintenant un bon niveau de sécurité, les personnels des compagnies aériennes sont formés à la détection de la présence de givre ou glace sur la surface des avions. Il n'est en effet pas envisageable d'utiliser pour la détection au sol des détecteurs du type de ceux connus à ce jour pour la détection du givrage en vol. De tels détecteurs ne permettent en effet qu'une détection locale alors que le givrage sol met en jeu l'ensemble de l'avion. Il faudrait par conséquent pouvoir équiper toute la surface de l'avion, ce qui d'une part l'alourdirait et le renchérirait tout en posant nombre de problèmes techniques, et d'autre part serait difficilement réalisable sur la flotte des avions existants. Néanmoins, les méthodes de détection de givrage utilisées par les personnels des compagnies aériennes sont artisanales et souvent difficiles d'application du fait notamment des mauvaises conditions météorologiques et de luminosité (en particulier dans les pays de haute latitude) dans lesquelles elles sont généralement mises en oeuvre. Le but de l'invention est donc de proposer une nouvelle technique permettant la détection de givre, de glace ou de neige, notamment à la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol. PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR On connaît déjà par wo 94/09463 un dispositif permettant d'observer à distance la surface d'un avion pour y détecter la présence de glace ou de givre. La détection proposée dans cette demande de brevet est de type optique et repose sur la mesure de caractéristiques de polarisation d'une lumière réfléchie par une portion de l'avion que l'on illumine. Cette technique utilise les propriétés 1) de conservation de la polarisation lors d'une réflexion spéculaire sur une surface métallique et 2) de non conservation de la polarisation lors d'une réflexion sur une surface diélectrique, pour détecter la présence ou non de couches de glace sur l'avion. Toutefois, cette technique pose également plusieurs problèmes. Notamment, les accumulations constituées d'eau et de neige mélangées sont mal détectées. En outre, cette technique nécessite de donner au détecteur une orientation sensiblement voisine de la normale de la surface examinée, ce qui pose de grosses difficultés avec des avions présentant des surfaces particulièrement incurvées. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle il était proposé dans wO 94/09463 de recouvrir les avions avec des peintures ou des films adhésifs spéciaux élargissant l'angle d'incidence de fonctionnement. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose quant à elle un procédé et un dispositif pour la détection de givre, de glace ou de neige, notamment a la surface d'un aéronef, tel qu'un avion au sol, qui permettent une détection facile à mettre en oeuvre et d'une grande fiabilité. La solution selon l'invention consiste en ce qu'on émet en direction de ladite surface des faisceaux optiques cohérents correspondant à deux longueurs d'onde absorbées différemment par la glace et/ou l'eau, en ce qu'on mesure pour chacune de ces deux longueurs d'onde les quantités de lumière renvoyées par la surface éclairée par lesdits faisceaux et en ce qu'on traite les mesures ainsi obtenues pour déterminer une information relative à la présence de givre, de glace ou de neige sur la surface éclairée. Avantageusement, on émet également en direction de ladite surface un faisceau optique cohérent, on mesure la quantité de lumière renvoyée par la surface éclairée par ledit faisceau et on détermine, en fonction de cette mesure et d'au moins l'une des mesures obtenues aux deux autres longueurs d'onde, une information relative à la présence de glycol sur la surface éclairée. On peut ainsi discriminer la glace et le glycol, ce qui permet d'éviter de renvoyer au dégivrage tout avion possédant encore une protection d'antigivrage. L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif conforme à un mode de réalisation possible de l'invention - la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté en fonction de la longueur d'onde la partie imaginaire des indices de réfraction de l'eau à 22"C (courbe A) et à -80C (courbe B), ainsi que de la glace à -25 C (courbe C). DESCRIPTION D'UN MODE DE RÉALISATION Le dispositif illustré sur la figure 1 comporte trois sources d'émission laser, référencées de I à 3, émettant à trois longueurs d'onde différentes. Il comporte également des moyens optiques, référencés par 4 dans leur ensemble, pour la collimation de ces faisceaux selon une même direction d'observation DO, des moyens de photodétection 5, ainsi que des moyens 6 pour focaliser sur les moyens de photodétection 5 des portions des faisceaux réfléchies par les surfaces éclairées par le dispositif. Les trois sources 1 à 3 sont des diodes laser de faible puissance ayant par exemple une puissance d'émission de l'ordre de 50 mw ou inférieure (pour des raisons de sécurité oculaire). Elles émettent à des longueurs d'onde qui permettent, en comparant les niveaux d'absorption à ces différentes longueurs d'onde, de détecter la présence de glace, givre ou neige sur les surfaces qui sont examinées, ainsi que de détecter la présence ou non de glycols. Par exemple, l'une des sources émet à une longueur d'onde aux alentours de 1550 nm, une autre à une longueur d'onde aux alentours de 690 nm, la dernière émettant à une longueur d'onde entre 1000 et 1300 nm, par exemple aux alentours de 1100 nm. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, à la longueur d'onde de 1550 nm, l'eau et la glace polycristallines sont très absorbantes, alors qu'elles ne le sont pas à la longueur de 690 nm. Par conséquent, lorsque la surface analysée est recouverte de glace, le faisceau à la longueur d'onde de 1550 nm est absorbé, tandis que celui à la longueur d'onde de 690 nm est réfléchi. En l'absence de glace, les faisceaux à ces deux longueurs d'onde sont réfléchis sensiblement à un même niveau. Ainsi, des moyens de traitement 7, tels qu'un calculateur de type PC, sont prévus en sortie des moyens de photodétection 5 pour, en fonction des mesures des quantités de lumière renvoyées sur lesdits moyens 5 aux deux longueurs d'onde considérées, déterminer la présence de glace, de givre ou de neige sur la zone analysée. Ces moyens de traitement 7 mettent également avantageusement en oeuvre une détermination de l'épaisseur de glace dont la surface analysée est recouverte. On sait en effet que pour une épaisseur e de glace donnée, la luminance apparente Rtk) à une longueur d'onde x vérifie R(k) = a.E(k).exp(-2-a(k)-e) où a est l'albédo de la surface nue, que l'on considère comme constant en fonction de la longueur d'onde, E(k) l'éclairement incident, a(X) le coefficient d'absorption du film superficiel à la longueur d'onde considérée. Par conséquent, les moyens de traitement 7 calculent le rapport des valeurs de R(x) aux deux longueurs d'onde de 1550 nm et 690 nm, puis déterminent en fonction de ce rapport la valeur de l'épaisseur e, qui est le seul paramètre dont ledit rapport dépend. Ces moyens de traitement 7 activent par exemple une alarme lorsque l'épaisseur du film qui recouvre la zone de l'avion analysée est supérieure à 3 mm. Bien entendu, d'autres longueurs d'onde que celles de 1550 nm et 690 nm pourraient être utilisées. La longueur d'onde de référence peut notamment être choisie entre 50 nm et 1000 nm. On notera toutefois qu'il est avantageux d'utiliser pour la longueur d'onde de référence des longueurs d'onde situées dans le visible. De telles longueurs d'onde en effet permettent de visualiser le fonctionnement du dispositif et d'améliorer la sécurité oculaire, en bénéficiant du réflexe palpéral. On notera également que la longueur d'onde de 1550 nm semble plus adaptée que d'autres longueurs d'onde (notamment que des longueurs d'onde au voisinage de 1490 nm) pour la mesure de faibles épaisseurs de glace. L'analyse de l'intensité réfléchie à la troisième longueur d'onde permet, par comparaison avec l'intensité réfléchie à la longueur d'onde de 690 nm, de détecter la présence de glycol sur la surface analysée et éventuellement d'estimer la concentration de glycol sur le film qui recouvre la surface de l'avion. Les longueurs d'onde autour de 1100 nm correspondent en effet à l'harmonique 3 de la résonnance fondamentale de la liaison C-H (laquelle se situe autour de 3 400 nm) et donc à un pic d'absorption pour les glycols. On notera qu'une analyse à la longueur d'onde de 3400 nm serait idéale pour la détection de glycol, mais que l'harmonique 3 au voisinage de 1100 nm est préférée afin d'utiliser les mêmes optiques et les mêmes détecteurs que pour les autres longueurs d'onde. Les différentes émissions lasers sont avantageusement modulées à des fréquences différentes. Ceci permet de disciminer les longueurs d'onde par leur fréquence de modulation et de n'utiliser qu'un seul détecteur, par exemple de type InAsGa, au niveau des moyens 5. Par exemple, les trois fréquences de modulation associées aux trois sources lasers 1 à 3 sont choisies dans la gamme allant de 1 à 10 MHz. En variante, la fréquence de modulation peut être identique pour les trois longueurs d'onde d'émission. Les moyens de détection 5 comportent alors des moyens optiques, tels que par exemple un jeu de miroirs dichroïques, permettant de séparer sur le signal reçu les trois composantes du flux polychromatique réfléchi. Egalement, les moyens de traitement 7 mettent avantageusement en oeuvre une mesure de phase sur l'un des signaux modulés, de façon à réaliser une mesure de la distance entre le dispositif et la surface analysée. La distance ainsi mesurée peut être utilisée pour divers traitements, notamment pour l'élimination des échos provenant de corps situés sur le trajet du rayonnement lumineux (gouttes de pluie, flocon de neige) ou encore pour la différentiation entre l'avion et la piste lorsque l'illumination dépasse les limites de l'avion. La tête du dispositif comporte également avantageusement un miroir mobile 8 dont le pivotement est commandé pour assurer le balayage d'une surface à inspecter. La (ou les) fréquences de modulation des sources d'émission 1 à 3 est (ou sont) alors choisie(s) en fonction du balayage, de façon à être nettement supérieure(s) à la fréquence d'acquisition des points. En outre, le dispositif peut être monostatique (voies d'émission et de réception confondues) ou bistatique (voie de réception séparée). Par ailleurs, le dispositif qui vient d'être décrit peut être utilisé de différentes façons. Notamment, il peut se présenter sous la forme d'un appareil portable qu'un opérateur pointe en direction des surfaces à analyser. Il peut également être intégré, avec une pluralité d'autres appareils similaires, dans un système fixe sous lequel l'avion à inspecter passe ou dans un système mobile qui balaye optiquement l'avion selon une direction. Egalement, il peut être embarqué sur l'avion luimême pour servir de détecteur de givrage - au sol ou en vol. Par exemple, des dispositifs du type de ceux qui viennent d'être décrits disposés au voisinage du nez de l'avion peuvent être utilisés pour surveiller les bords d'attaque des ailes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détection de givre, de glace ou de neige, notamment à la surface d'un aéronef, caractérisé en ce qu'on émet en direction de ladite surface des faisceaux optiques cohérents correspondant à deux longueurs d'onde absorbées différemment par la glace et/ou l'eau, en ce qu'on mesure pour chacune de ces deux longueurs d'onde les quantités de lumière renvoyées par la surface éclairée par lesdits faisceaux et en ce qu'on traite les mesures ainsi obtenues pour déterminer une information relative à la présence de givre, de glace ou de neige sur la surface éclairée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on émet également en direction de ladite surface un faisceau optique cohérent, en ce qu'on mesure la quantité de lumière renvoyée par la surface éclairée par ledit faisceau et en ce qu'on détermine, en fonction de cette mesure et d'au moins l'une des mesures obtenues aux deux autres longueurs d'onde, une information relative à la présence de glycol sur la surface éclairée. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on traite les mesures obtenues pour déterminer l'épaisseur de la couche de glace sur la surface éclairée. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on traite les mesures obtenues pour déterminer la concentration de glycol dans la couche qui recouvre la surface éclairée. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une longueur d'onde démission est de l'ordre de 1550 nm. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une longueur d'onde d'émission est comprise entre 500 et 1000 nm, et est préférentiellement de l'ordre de 690 nm. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une longueur d'onde d'émission est de l'ordre de 1100 nm. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on balaye une surface à analyser avec les faisceaux optiques émis. 9. Dispositif pour la détection de givre, de glace ou de neige, notamment à la surface d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour l'émission en direction de ladite surface des faisceaux optiques cohérents correspondant à deux longueurs d'onde absorbées différemment par la glace et/ou l'eau, des moyens pour mesurer pour chacune de ces deux longueurs d'onde les quantités de lumière renvoyées par la surface éclairée par lesdits faisceaux et des moyens pour traiter les mesures ainsi obtenues pour déterminer une information relative à la présence de givre, de glace ou de neige sur la surface éclairée. 10. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 ou du dispositif selon la revendication 9 à la détection du givrage sur un avion au sol et/ou à la détection du givrage sur au moins une zone d'un avion en vol.