Brevet FR2830332A1 — publié le 20030404

La présente invention concerne un instrument météorologique pour mesurer les précipitations ou d'autres types d'hydrométéores (neige, grêle...), sur la Terre ferme ou sur une surface d'eau libre. Le dispositif selon l'invention exploite le bruit spécifique que fait la pluie en tombant au sol pour la quantifier. Ce dernier est particulièrement adapté aux situations géographiques reculées et à une instrumentation pour laquelle l'entretien est limité. La mesure pluviométrique est l'une des plus délicates en météorologie à cause des fortes variabilités spatiales et temporelles de la perturbation qui précipite. La mesure des précipitations est traditionnellement effectuée au sol grâce à des pluviomètres (de type Hellmann par exemple) et des pluviographes de différentes conceptions : à siphon, à pesée, à augets basculeurs ou encore optique. Ces instruments sont complétés lorsque c'est possible par divers types de radars et images satellitales. Tous les instruments existants à ce jour offrent l'inconvénient de n'enregistrer que des moyennes (des intégrales ) dans le temps ou l'espace. Cette notion d'intégration est représentée sur la figure 1, empruntée à P. Hubert de L'GIRD (ex. ORSTOM). Cette propriété oblige, pour estimer efficacement une averse, à coupler les systèmes qui intègrent dans le temps (en pointillés sur la Fig. 1) et ceux qui intègrent dans l'espace (en tirets sur la Fig. 1). L'invention détaillée ci-après remédie à ce défaut par une mesure instantanée de la pluie sur une surface étendue (en trait plein sur la Fig. 1). D'autres inconvénients sont inhérents aux instruments de mesure pluviométrique existants. En particulier, chacun des instruments de mesure au sol précités nécessite un entretien régulier (pour relever les mesures, nettoyer les réceptacles, vérifier les mécanismes...) que ne permettent pas des installations en région reculées. Ces contraintes sont remplacées par le coût et la complexité des pluviographe optique et radar. L'invention détaillée ci-après, dépourvue de réceptacle et de mécanismes et à l'électronique réduite, remédie également à ces défauts. Une telle mesure étendue et instantanée est rendue possible par l'exploitation du son de la pluie sur le sol, quelle que soit sa nature. Le bruit des gouttes de pluie qui frappent le sol, l'eau libre, la canopée ou toute autre couverture terrestre uniforme, possède une signature spectrale unique et reconnaissable, permettant d'estimer la distribution de la taille des gouttes, puis par voie de conséquence, de quantifier la pluie. Une batterie de microphones unidirectionnels permettra d'enregistrer le son ambiant à différents endroits autour de l'instrument. Aucune fréquence sonore n'est exclue a priori dans ce dispositif. L'idée d'utiliser le bruit que produit la pluie pour la quantifier est exploitée depuis peu en milieu océanique, également difficile d'accès (J. A. Nystuen, Université de Washington). Contrairement à l'invention, ce travail concerne une mesure sous-marine de ce bruit, qui plus est, très localisée. Un brevet américain propose d'exploiter le son pour quantifier l'eau collectée par un réservoir et ne résout, pas plus que l'invention précédente, la question de l'intégration des mesures (numéro de publication : n US 5125268). Enfin, des anémomètres et thermomètres ultrasoniques existent déjà mais travaillent sur les mouvements des masses d'air contrairement à la présente invention et ne mesurent pas les mêmes paramètres. Le dispositif de l'invention comporte selon une première caractéristique un boîtier abritant 4 microphones unidirectionnels (réglables ou non en ouverture) orientés par exemple vers les points cardinaux. Ces micro-phones, les systèmes de réception et d'acquisition ne constituent pas l'originalité de l'invention et ne seront donc pas décrits ici. Ils seront empruntés au marché existant et adaptés aux besoins de l'utilisateur et aux contraintes environnementales. Les microphones enregistrent simultanément, avec les fréquence et durée souhaitées, les bruits ambiants dans les directions qu'ils pointent. Considérons une averse dans sa durée : - Phase 1 : Avant d'atteindre le dispositif de l'invention la pluie émettra un bruit caractéristique qui pourra être entendu à grande distance selon les caractéristiques des microphones, le revêtement du sol, la taille des gouttes du front pluvieux, le vent ou d'autres bruits ambiants (naturels, biologiques ou anthropiques)... Ces sons ne proviendront que de certaines directions qui pourront être estimées par une interpolation des intensités sonores enregistrées par les différents microphones. - Phase 2 : A mesure que la pluie se rapprochera des microphones, son spectre sonore s'intensifiera et se modifiera. Lorsque la perturbation est centrée sur l'instrument, les 4 microphones enregistrent approximativement les mêmes spectres sonores, mais potentiellement aussi ses éventuelles variations spatiales. - Phase 3 : La perturbation s'éloignera ensuite progressivement de l'instrument qui enregistrera à chaque instant les variations à l'instar de la phase 1. Les perturbations et causes d'erreur, si elles subsistent pour la présente invention, seront de l'ordre de l'identification et l'étalonnage des sons dus aux hydrométéores. Un traitement fin de ces données (non détaillé ici) permettra de décomposer chaque étape et d'en déduire par inversion les tailles des gouttes et leur densité dans un premier temps, la hauteur d'eau reçue et ses variations spatiales dans un second temps. La mesure sera sans doute facilitée par certaines surfaces réceptrices (la canopée, certains sols...) que l'on veillera à choisir et garder hautement uniformes dans le rayon d'action du dispositif. L'invention présente en outre l'avantage d'éliminer les frictions (statiques ou dynamiques) qui dégrade la précision des mesures dans la plupart des dispositifs existants. En revanche, la même mesure pâtira de bruits parasites tels que ceux biologiques (créés par les animaux et les végétaux) ou anthropiques (créés par l'Homme) qui seront pourtant aisés à dissocier. Ces derniers sont en effet généralement intermittents et avec un spectre sonore facilement reconnaissable (au moins dans les régions reculées et peu peuplées concernées par l'invention). Plus gênant sera sans doute le vent. Sa signature sonore devrait pourtant rester assez différente de celle de la plupart des gouttes de pluie (quelle que soit la surface réceptrice), au point que l'on pourra envisager d'estimer également et indirectement la vitesse des vents à l'aide de l'invention. Ainsi, tous les éléments du paysage de l'invention pourront bénéficier, avec des précisions variables, de ses mesures pour peu que la connaissance de leurs distributions spatiotemporelles soient intéressantes : les hydrométéores, le vent (par le bruit qu'il créé dans le paysage), les animaux (oiseaux, grenouilles...), les végétaux (graines, fruits...), 1'Homme... Selon des modes particuliers de réalisation : - On peut adjoindre un ou plusieurs objets (passifs) à distance du boîtier destinés à prévenir de l'arrivée et de la distribution spatiale de la pluie par un bruit spécifique. Ces objets, situés à des positions soigneusement étudiées (en fonction des caractéristiques des microphones, de la topographie du terrain...), peuvent être par exemple constitués d'une plaque montée sur des poteaux et capable de résonner. Elle ne nécessite pas d'entretien. - Le boîtier abritant les microphones peut avoir une forme hémisphérique, conique ou toute autre forme qui permet de réduire les bruits parasites locaux (non illustré). Il peut être revêtu de mousse qui absorbe les sons et/ou d'un vernis hydrophobe destiné à amortir au mieux le bruit des gouttes de pluie. - Dans une version différente ou non de la précédente (non illustrée), on peut adjoindre un microphone classique (multidirectionnel) sous le boîtier pour mesurer la part du bruit à l'emplacement du boîtier et celle situé à distance. - La disposition et le nombre de microphones abrités par le boîtier peuvent prendre toutes les configurations visant à améliorer la mesure des distributions spatiale et temporelle des précipitations, y compris celle n'utilisant qu'un microphone (non illustré). Il est par exemple possible de placer plus de 4 microphones (dans de nouvelles directions) pour améliorer la résolution angulaire de la mesure. De même, on peut placer plus d'un microphone dans une même direction, mais de différente sensibilité ou ouverture angulaire, pour améliorer la résolution spatiale de la mesure. - Un autre mode de réalisation de l'invention (non illustrée) peut remplacer les objets précités par des émetteurs sonores (haut-parleurs, dits objets actifs ) au spectre parfaitement connu et optimisé selon les besoins, sans restriction de fréquence, d'intensité ou de bande passante. Ces émetteurs, placés à grande distance et dans l'axe des microphones du boîtier, ont leur spectre modifié par la pluie présente sur le trajet du son. La comparaison des spectres par temps sec et par temps pluvieux doit permettre d'identifier la taille moyenne des gouttes de pluie rencontrées, puis d'estimer la pluviométrie dans la direction de ces émetteurs. Il n'est pas indispensable de synchroniser les émetteurs et récepteurs de ce dispositif. - Enfin, dans le but d'améliorer le mode de réalisation précédent, on peut exploiter la propriété de focalisation automatique des miroirs à retournement temporels appliquée aux ultrasons : l'utilisation de réseaux de transducteurs (émetteurs/récepteurs) à la position des objets actifs doit permettre la focalisation des sons qu'ils émettent sur le boîtier (tel un hologramme acoustique) et donc une meilleure analyse des déformations de leurs spectres acoustiques causées par les intempéries. Le schéma de la figure 2 illustre l'invention : En référence à ce schéma, le dispositif comporte un boîtier (1) munit dans ce mode de réalisation de 4 ouvertures, chacune placée en face de chaque microphone (2). Ces derniers sont placés légèrement en retrait pour ne pas être touchés ou perturbés par la pluie. Le module enregistreur des sons (3) communique les données mesurées à une centrale d'acquisition (4) par l'intermédiaire d'une liaison par câble (5), hertzienne ou tout autre selon les besoins. Un microphone classique (6) enregistre les sons à l'emplacement même du boîtier (1). Des objets sonores (7), actifs ou passifs, sont disposés à une certaine distance et avec certaines orientations par rapport aux microphones. En recevant les précipitations symbolisées par le nuage (8), ils émettent un bruit aisément reconnaissable et figuré par les liaisons pointillées (9). Pour faciliter la compréhension, les différentes composantes du schéma de la figure 2 ne sont pas à l'échelle. Le schéma s'entend vu de dessus. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier (1) contenant les microphones ou les objets actifs (7) auront des dimensions de l'ordre de 40cm de diamètre et de hauteur, tandis que les objets passifs pourront faire quelques m2. Le boîtier (1) et toutes les autres pièces susceptibles d'être en contact avec l'eau auront intérêt à être non corrosives. A titre d'exemple non limitatif, le boîtier aura intérêt à être placé en hauteur, aux normes OMM pour les pluviographes. Le dispositif est particulièrement destiné aux régions pluvieuses, uniformes et difficilement accessibles telle que la forêt vierge, la montagne (couverte de végétation ou enneigée), voire les déserts. Ceci n'est pas restrictif et il pourra tout autant être placé au-dessus de l'eau dans une région estuarienne ou sur un lac. REVENDICATIONS 1. Procédé caractérisé par l'utilisation du son que produisent des précipitations (ou tout autre hydrométéore) en arrivant à la surface de la Terre pour les quantifier. Les ondes sonores se propagent à partir d'objets dits passifs exposés à la pluie et placés à distance de l'instrument récepteur, qui transmet ensuite l'enregistrement à une centrale d'acquisition par l'intermédiaire d'une liaison. 2. Procédé caractérisé par l'utilisation des déformations d'un son artificiel traversant un champ de précipitations (ou de tout autre hydrométéores) pour le quantifier. Les ondes sonores se propagent à partir d'objets dits actifs placés à distance de l'instrument récepteur et émettant un son focalisé sur lui. Le récepteur transmet ensuite l'enregistrement à une centrale d'acquisition par l'intermédiaire d'une liaison. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre des procédés des revendications 1 et 2 caractérisé par un boîtier (1) présentant 4 ouvertures en face desquelles sont placés en retrait des microphones unidirectionnels (2), reliés à un module (3) qui enregistre leur spectre sonore et communique ces données à une centrale d'acquisition et de traitement (4) par l'intermédiaire d'une liaison (5). 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par la forme hémisphérique ou profilée et par le revêtement hydrophobe du boîtier (1) en vue d'atténuer le bruit des hydrométéores sur le dit boîtier. A cet effet, ce dernier peut être recouvert d'une mousse ou d'un vernis. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par la forme plane et creuse du sommet du boîtier (1) en vue d'amplifier le bruit des hydrométéores sur le dit boîtier, et par la présence d'un microphone multidirectionnel classique (6) placé sous le boîtier (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisé par une configuration en étoile et un nombre de microphones (2) supérieur ou égal à 4, pourvu qu'ils permettent d'améliorer la mesure angulaire de la distribution des précipitations. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé par un nombre de microphones (2) supérieur ou égal à 1 dans une même direction, mais de sensibilité ou ouverture angulaire différente pour améliorer la résolution spatiale de la mesure 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1 et selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 caractérisé par des objets (7) dits passifs, en nombre supérieur ou égal au nombre de microphones (2) et placés à distance en face de chacun d'eux. Les dits objets doivent être capable de résonner sous la pluie et peuvent être de simples plaques non corrosives montée sur pieds. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 2 et selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 caractérisé par des objets (7) dits actifs, réseau de haut-parleurs (émetteurs) ou transducteurs (émetteurs/récepteurs), en nombre supérieur ou égal au nombre de microphones (2) et placés à distance en face de chacun d'eux. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre simultanée des procédés des revendications 1 et 2 et selon les revendications 8 et 9 caractérisé par la combinaison d'objets (7) actifs et passifs dont les spectres sonores sont suffisamment distincts pour être identifiés lors du traitement des enregistrements.