Brevet FR2925697A1 — publié le 20090626

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE IMAGE RADAR. L'invention porte sur le traitement d'une image radar, en particulier le traitement des valeurs de réflectivité des pixels formant l'image radar. Elle est particulièrement adaptée aux radars aéroportés, et en particulier aux radars météorologiques. Un radar météorologique permet de localiser des précipitations comme de la pluie, de la neige ou de la grêle, de mesurer leur intensité et éventuellement de repérer les phénomènes dangereux. La plupart des radars météorologiques sont implantés au sol et font souvent partie d'un réseau plus vaste de surveillance météorologique. 1 o Toutefois de plus en plus d'applications aéroportées voient le jour, afin de permettre le contournement des cumulonimbus. Ces énormes nuages sont très craints des pilotes car ils donnent parfois de violents orages. En effet, la foudre, la grêle, et les forts cisaillements de vents à l'intérieur du nuage s'ajoutent au risque de givrage et peuvent mettre le vol en danger si le 15 pilote essaie de passer au travers. Un radar météorologique permet la détection des cibles volumiques étendues (objets) que sont les nuages, dont il doit donner la position, la taille et la dangerosité. Pour cela, un radar météorologique peut par exemple émettre une onde dans la bande X à l'aide de son antenne. La 20 distance à un nuage est déduite du temps nécessaire à l'impulsion émise pour effectuer à la vitesse de la lumière le trajet aller-retour de l'antenne du radar au nuage. Ce temps correspond simplement à la durée entre l'émission d'une impulsion et la réception de son écho. A partir des échos reçus, sont formées des images radar. Les 25 pixels de chaque image sont associés à des valeurs de réflectivités correspondant à leur amplitude. On rappelle que pour un point donné de la zone balayée par le radar, la réflectivité correspond au rapport de l'énergie réfléchie par ce point à l'énergie incidente totale. La valeur de réflectivité de chaque pixel est fonction de l'intensité de l'écho retourné. La taille d'un nuage est fonction de sa superficie (la distance horizontale maximale sur laquelle il s'étend) et de son élévation, (la distance verticale maximale sur laquelle il s'étend). L'élévation définit en premier lieu la dangerosité du nuage : plus un nuage convectif est haut, plus il est dangereux. Mais le niveau de dangerosité du nuage est également lié à son facteur de réflectivité, noté Z, qui caractérise la concentration d'hydrométéores en suspension dans un volume d'air, sous forme liquide ou solide. Autrement dit, le facteur de réflectivité Z représente l'intensité du nuage. En échelle logarithmique, il se mesure en dBZ. 1 o Concrètement, une console de visualisation affiche au pilote une représentation simplifiée des nuages, à l'aide d'un code couleur caractérisant la réflectivité, qu'il s'agisse de pluie, de neige ou de grêle. Par exemple, la couleur noire est souvent utilisée pour l'air sec, c'est-à-dire l'absence de nuage. Le vert et le jaune peuvent être utilisés pour les concentrations 15 moyennes d'humidité. Le rouge est souvent utilisé pour les zones à très forte concentration d'humidité, c'est-à- dire les zones les plus dangereuses qu'il faut absolument contourner. Actuellement, pour déterminer le nombre de nuages, leur position ou encore leur intensité, on traite l'image radar en une seule fois, par 20 exemple à l'aide d'une méthode de traitement pixel par pixel. Par ce traitement, on corrige les valeurs de réflectivité associées aux pixels de l'image, pour s'approcher au plus près de la situation réelle, c'est-à-dire la situation de la zone visée par le faisceau émis par l'antenne radar. La qualité du résultat de ce traitement varie en fonction de 25 l'éloignement de la zone par rapport à l'antenne radar. S'il est relativement bon à courte distance, il devient difficilement exploitable à moyenne et longue distance, surtout si la résolution du radar est faible, ce qui est souvent le cas des radars aéroportés. Dans le cas de radars météorologiques, différents phénomènes viennent perturber la qualité des résultats. Par exemple, il devient alors particulièrement difficile de distinguer le fouillis du sol (bruit parasite) du signal utile, lorsque le faisceau du radar englobe à la fois le sol et le domaine aérien. En outre, l'atténuation atmosphérique rend délicate l'estimation 5 des niveaux de réflectivité. Toutes ces contraintes limitent la distance maximale d'affichage à une centaine de miles nautiques, ce qui dans beaucoup de situations n'est pas suffisant. L'invention vise notamment à apporter une solution à ces 10 problèmes. Un but de l'invention est de proposer un procédé de traitement de l'image permettant de distinguer un nuage et d'en évaluer sa dangerosité indépendamment de la distance du nuage par rapport à l'antenne radar. A cet effet, il est proposé un procédé de traitement d'une image 15 radar issue d'une antenne radar, comprenant une lecture de l'information de réflectivité associée à chaque pixel formant l'image radar, un premier traitement l'information de réflectivité, pixel par pixel, à l'aide d'une première méthode. Selon une caractéristique générale de cet aspect, ledit procédé 20 comprend en outre : - un deuxième traitement de l'image radar à l'aide d'une deuxième méthode comportant une extraction d'objets de l'image radar, puis un calcul de l'étendue et de la position de chaque objet, à l'aide d'une ouverture angulaire entre deux signaux, et 25 - pour chaque partie de l'image radar traitée par la première méthode, correspondant à un objet extrait, un remplacement du pixel de la zone considérée dit premier pixel, par le pixel correspondant de l'image radar traitée par la deuxième méthode dit deuxième pixel, si la valeur de réflectivité associée au deuxième pixel est supérieure à la valeur de réflectivité du 30 premier pixel, lesdites parties correspondant à des zones situées à une distance supérieure à un seuil donnée de l'antenne radar. En d'autres termes, pour la partie de l'image correspondant à une zone relativement éloignée de l'antenne radar, on substitue aux pixels formant des nuages, des pixels issus de nuages extraits de l'image radar à l'aide d'un autre traitement. L'invention a pour avantage de produire une image radar ayant une très bonne représentation des nuages environnant le radar, quel que soit leur éloignement. En effet, la première méthode permet de détecter les nuages à courte distance, tandis que la deuxième méthode permet de donner une bonne évaluation des nuages situés à moyenne et longue distance. L'enrichissement de l'image traitée par la première méthode à l'aide de pixels provenant de la deuxième méthode permet la réalisation d'une image radar optimale, quant à l'identification des nuages. Par exemple, ledit seuil peut être égal à 8ONM. De préférence, la position d'un objet est donnée par la position de son sommet. Par exemple, la première méthode peut comporter une suppression du fouillis au sol et, pour chaque pixel de l'image, une minimisation de l'erreur quadratique entre la valeur de réflectivité du pixel considéré et une valeur de réflectivité estimée à partir du diagramme de l'antenne radar et des valeurs de réflectivité des pixels environnant le pixel considéré. La deuxième méthode comprend de préférence une détermination de ladite ouverture angulaire correspondant à l'étendue dans un plan de l'objet extrait, l'objet étant situé à une distance donnée de l'antenne radar. Ladite détermination comporte : une étape de mesure d'échos dans des directions 0 ù 08 et O + 8 du plan, où Op est un angle variable correspondant à des 1' 2 directions du plan et 48 est une ouverture angulaire donnée ; une étape de calcul des différences deux à deux entre les mesures d'échos prises dans les directions O ù A 0 et O + 09 ; une étape de détermination de la pente en une valeur Op d'une fonction e de Op interpolée entre les différences calculées, l'ouverture angulaire qui correspond à l'étendue de l'objet à la distance donnée étant déduite de la pente. Cette méthode est particulièrement adaptée à la détermination de I' étendue d'un nuage situé à grande distance de l'antenne radar. De préférence, la pente de la fonction e est déterminée en la 1 o valeur de Op pour laquelle la fonction e s'annule sensiblement. L'ouverture angulaire qui correspond à l'étendue de l'objet à la distance donnée peut être extraite d'une base de correspondance associant des valeurs d'ouvertures angulaires à des valeurs de pente, la pente de la fonction e en la valeur de Op pour laquelle la fonction e s'annule ayant été 15 préalablement calculée à partir de mesures effectuées sur un objet synthétique d'ouverture angulaire variable. Le plan peut être le plan vertical. En variante, le plan peut être le plan horizontal. Par exemple, le radar peut être un radar météorologique, 20 l'ouverture angulaire correspondant à la hauteur d'un nuage. Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur de Op pour laquelle la fonction e s'annule est supposée pointer le centre du nuage, l'altitude du centre du nuage étant calculée par trigonométrie en utilisant la distance donnée entre l'antenne radar et le nuage. 25 L'altitude du sommet du nuage peut être calculée en ajoutant la moitié de la hauteur du nuage à l'altitude du centre du nuage. Le radar météorologique peut être aéroporté. On se réfère à la figure 1 qui illustre un mode de mise en oeuvre selon l'invention. Tout d'abord au cours d'une première étape 1, on enregistre une image radar. Cette image subit un premier traitement à l'aide d'une première méthode, méthode 1, de façon à ajuster les valeurs de réflectivité de l'image, étape 2. Ce traitement est effectué à l'aide d'une méthode classique, dont un exemple sera donné ci-après. L'image traitée est référencée image 1. Parallèlement, l'image radar est traitée à l'aide d'une méthode, méthode 2, qui est capable d'extraire les nuages de l'image radar, étape 3. Cette méthode 2 est basée sur l'écartométrie itérative, qui sera détaillée ci-après. À l'issue de ce deuxième traitement, on obtient les différents nuages extraits de l'image, c'est-à-dire leur position et les valeurs de réflectivités des pixels qui les constituent. De préférence, chaque méthode est appliquée sur les coupes verticales de l'image à azimut constant, appelée coupes RHI par l'homme du métier pour � Range Height Indicator � en langue anglaise. Enfin, une dernière étape, étape 4, comprend un enrichissement de l'image, image 1, à l'aide des nuages extraits par le deuxième traitement. Pour la partie de l'image située à une certaine distance de l'antenne radar, les pixels des zones de l'image 1 correspondant aux positions des nuages, sont remplacés par les pixels des nuages extraits par la deuxième méthode. Le remplacement d'un pixel par un autre est effectué, si la valeur de réflectivité du pixel appartenant au nuage extrait est supérieure à la valeur de réflectivité du pixel correspondant de l'image, image 1. Par exemple, le remplacement est effectué pour les parties de l'image correspondant à des zones éloignées de plus de 8ONM de l'antenne. La figure 2 illustre plus particulièrement un mode de mise en oeuvre du premier traitement de l'image radar. Tout d'abord on procède à une suppression du fouillis du sol, étape 21, c'est-à-dire des signaux parasites se trouvant à la limite inférieure de l'image. Une fois le fouillis supprimé, on applique ici une méthode d'estimation pixel par pixel, par exemple la méthode des moindres carrés, étape 22, telle que celle décrite dans la thèse de Bernard Granier : � Restauration d'images perturbées par la turbulence atmosphérique. �, [Note(s) : 142], (116 ref.), (Année de soutenance : 1996), (No : 96 PA11 2496). Cette méthode consiste à minimiser l'erreur quadratique moyenne 5 E entre la valeur de la réflectivité du pixel R(p, 0, cp, t), et une valeur estimée de la réflectivité du pixel considéré R(p,6,çp,t), avec E =IIR(p,B,rp,t)ùR(p,e,çp,t)I z. Les paramètres p, 0 et cp correspondent aux coordonnées polaires du pixel considéré à l'instant t. La valeur estimée de la réflectivité R(p,9,çp,t) dépend du 10 diagramme de rayonnement de l'antenne radar, et de la valeur de réflectivité des pixels voisins du pixel considéré. La figure 3 décrit un mode de mise en oeuvre de la deuxième méthode de traitement, méthode 2. Celle-ci comprend une première étape 31, qui comporte une sélection de la partie de l'image correspondant à une 15 zone située au-delà d'un seuil de distance. Ce seuil de distance peut être égal à 80 NM. Bien entendu, cette valeur peut être adaptée par l'homme du métier, par exemple en fonction des caractéristiques (résolution, application...) du radar utilisé. On estime ici que l'image traitée à l'aide de la première méthode 1, ne donne pas de résultats suffisamment fiables pour les 20 zones situées au-delà de ce seuil de distance. Sur la partie de l'image sélectionnée, on extrait les nuages présents puis on calcule la position et l'étendue de l'image, étape 32. Dans cet exemple, les informations de position et d'étendue d'un nuage sont synthétisées dans l'information de position du sommet de ce nuage. 25 Puis, on évalue la valeur de réflectivité des pixels formant les nuages extraits, étape 33. On sélectionne alors les nuages dont la valeur de réflectivité est supérieure à un seuil de réflectivité, dans cet exemple 40dBZ. La figure 4 représente les différentes images radar (plus précisément une coupe verticale de cette image radar). La vue A représente la situation météo pour une zone située entre 20NM et 160NM. La vue B illustre quant à elle l'image radar formée à partir des échos reçue par l'antenne radar aéroportée. Comme on peut le voir, cette 5 image est difficilement exploitable par un pilote. La vue C illustre l'image radar, image 1, à l'issue du premier traitement à l'aide de la première méthode, méthode 1. Cinq zones à risque référencées NUI, NU2, NU3, NU4 et NU5 sont visibles. La vue D représente les nuages extraits à l'aide du deuxième 10 traitement appliqué à l'image radar, à l'aide de la deuxième méthode, méthode 2. Dans cet exemple, afin de faciliter la mise en oeuvre du procédé, une fois la ligne de sommet du nuage déterminé, on prolonge l'étendue du nuage jusqu'au sol, ou du moins jusqu'à l'endroit où débute le fouillis au sol. Enfin, la vue E représente l'image, image 1, enrichie avec les 15 pixels des nuages extraits lors du deuxième traitement. L'étendue des nuages NU4 et NU5 a fortement augmenté après l'enrichissement de l'image. On se rapporte à présent aux figures 5 à 7 qui décrivent plus précisément un mode de mise en oeuvre de la méthode référencée méthode 20 2, permettant notamment l'extraction des nuages d'une image radar, ainsi que le calcul de leur étendue et de leur position. Celle-ci est une méthode d'écartométrie basée sur la détermination d'une ouverture angulaire, mais qui contrairement à une méthode d'écartométrie classique permet de mesurer l'étendue des nuages, et non simplement leur position. 25 Pour une cible quelconque, la méthode référencée méthode 2, permet d'une part de déterminer la position de la cible (ici un nuage), caractérisée par un centre qui est lui-même repéré par un angle de pointage Ocentre, et d'autre part permet de déterminer l'étendue de la cible, caractérisée par une ouverture angulaire A0. L'angle de pointage Osommet correspondant à 30 la position du sommet de la cible se déduit facilement de l'égalité (1) : esommet = ()centre + oe2 (1) La connaissance de Osommet est particulièrement pertinente dans le cas d'un radar météorologique où la cible est un nuage, puisque l'altitude du sommet du nuage et son évolution au cours du temps sont caractéristiques de la dangerosité du phénomène. De plus, cette méthode permet d'obtenir la valeur Osommet avec une grande précision, même à grande distance, là où le bruit thermique générerait avec d'autres méthodes des ambiguïtés très gênantes. Par ailleurs, la méthode référencée méthode 2 permet d'identifier immédiatement des cibles repérées par leur position caractérisée par ()centre, leur taille caractérisée par A0 et éventuellement leur intensité. Les données stockées sont donc de petite taille comparativement à une méthode de traitement pixel par pixel, ce qui constitue un avantage certain dans le cadre d'un usage embarqué. La figure 5 illustre par un synoptique un exemple de mise en oeuvre de la méthode, dite méthode 2, appliquée à un radar météorologique embarqué à bord d'un aéronef 100. Pour un angle A0 donné et pour des valeurs d'un angle de balayage en site Op, au moins deux impulsions sont émises dans des directions 81 et 02 définies par e, (0p) = Bp - 09 et 02(0p) = 0p + 06 . Par exemple, si la portée en site de l'antenne est d'environ 10 degrés, elle peut être balayée en 15 faisceaux correspondant à 15 valeurs distinctes de Op espacées d'environ 0.7 degré. L'angle A0 peut être choisi de manière à ce que les lobes principaux correspondant aux deux faisceaux émis soient adjacents mais ne se recouvrent pas. Ainsi, si l'ouverture d'antenne est de 3 degrés, A0 peut être de l'ordre de 3 degrés. Des échos S1(6p) et S2(0p) provenant des deux impulsions réfléchies par un nuage 200 à une distance r de l'aéronef 100 sont mesurés. L'écart entre les deux échos, c'est-à-dire la valeur e(Bp) = Sz (0p) - S, (Op) , est calculé et stocké. A l'issue de ce processus, lorsque 0p a balayé toute la portée en site du radar, une valeur e(ep) correspond à chacune des valeurs de 0p ayant servi à mesurer des valeurs SI(Op) et S2(0p). Ceci permet de tracer une courbe dite d'écartométrie, c'est-à- dire de représenter graphiquement e(ep) en fonction de 0p comme représenté sur la figure 6. La figure 6 illustre dans un graphe une courbe représentant l'évolution de l'écartométrie de l'exemple selon l'invention de la figure 5. Plus généralement, elle illustre aussi l'allure d'une courbe d'écartométrie lorsque la méthode d'écartométrie est appliquée à une cible étendue. La courbe illustre la variation de e(9p) pour 0p variant entre ù 5,5 degrés et +0,5 degrés, cette plage correspondant à un balayage en site de bas en haut. La courbe a été obtenue par interpolation entre les valeurs de e(Op) calculées à partir de mesures effectives S1(ep) et S2(0p), de nombreuses méthodes d'interpolation étant connues par ailleurs. La courbe montre que l'écartométrie passe de valeurs négatives à des valeurs positives. Donc l'écartométrie s'annule, éventuellement pour une valeur de 0p n'ayant pas servi à effectuer une mesure effective de valeurs SI(0p) et S2(0p). De gauche à droite en haut de la figure 6, trois synoptiques illustrent respectivement le premier cas où e(ep) est négatif qui correspond au cas où S1>S2, le deuxième cas où e(Bp) est sensiblement nul qui correspond au cas où S1=S2 et enfin le troisième cas où e(Op) est positif qui correspond au cas où S1 La figure 7 illustre à l'aide de deux graphes des courbes d'écartométrie 400 et 500 correspondant à deux nuages de tailles différentes, la courbe 400 correspondant à un nuage de taille nettement supérieure à la taille du nuage correspondant à la courbe 500. La différence entre deux pointages telle qu'effectuée dans l'invention varie fortement avec l'angle de pointage lorsqu'une zone hétérogène est balayée, comme par exemple une transition air sec / air humide ; c'est ce qui se produit lorsqu'un petit nuage est observé, lequel correspond à deux transitions successives et rapprochées air sec / air humide puis air humide / air sec. Par contre, lorsqu'une zone relativement homogène est balayée, comme l'intérieur d'un grand nuage, la différence entre les deux pointages est faible et varie peu. Donc plus le nuage est grand, plus l'écartométrie varie lentement et donc plus la pente en la valeur qui l'annule est faible. Inversement, plus le nuage est petit, plus l'écartométrie varie rapidement et donc plus la pente en la valeur qui l'annule est forte. Par exemple, une table de correspondance contenant des valeurs de pentes calculées à partir de mesures prises sur des cibles théoriques de tailles connues à une distance connue peut être utilisée. Dans une telle table, à une valeur de pente correspond une ouverture angulaire. Cette table peut même éventuellement faire l'objet d'une interpolation afin d'obtenir une fonction continue de correspondance donnant une ouverture angulaire quelle que soit la pente calculée. Ainsi, dans l'exemple de la figure 6 une table ou une fonction peuvent faire correspondre une ouverture angulaire Ar à la pente Pe(0). Il se déduit de manière immédiate qu'à la distance r l'ouverture angulaire correspond à une hauteur H du nuage 200. La hauteur H n'est pas représentée sur les figures pour des raisons de clarté. Egalement, ayant fait l'hypothèse que C est le centre du nuage 200, il peut se déduire de manière immédiate que le plancher du nuage 200 se trouve à une altitude h-H et que son sommet se trouve à une altitude h+ H . Des tests 2 2 effectués par la demanderesse ont ainsi permis de localiser l'altitude du sommet d'une zone nuageuse de réflectivité égale à 40 dBz avec une précision de l'ordre de 500 mètres à 160 miles nautiques. Ceci correspond à une précision angulaire de l'ordre de 0,1 degré, qu'il ne faut pas manquer de comparer aux 3 degrés ouverture d'antenne. La méthode, dite méthode 2 décrite ci-dessus permet donc de situer le sommet des nuages avec une précision remarquable, ce qui en fait une méthode adaptée aux radars météorologiques aéroportés. Très robuste au bruit thermique, elle est toute indiquée pour de nombreuses applications à ~o longues portées. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une image radar issue d'une antenne radar, comprenant une lecture (1) de l'information de réflectivité associée à chaque pixel formant l'image radar, un premier traitement l'information de réflectivité (2), pixel par pixel, à l'aide d'une première méthode (méthode 1), caractérisé par le fait que ledit procédé comprend en outre : - un deuxième traitement de l'image radar (3) à l'aide d'une deuxième méthode (méthode 2) comportant une extraction d'objets de l'image radar, puis un calcul de l'étendue et de la position de chaque objet, à l'aide d'une ouverture angulaire entre deux signaux, et - pour chaque partie de l'image radar traitée par la première méthode, correspondant à un objet extrait, un remplacement (4) du pixel de la zone considérée dit premier pixel, par le pixel correspondant de l'image radar traitée par la deuxième méthode dit deuxième pixel, si la valeur de réflectivité associée au deuxième pixel est supérieure à la valeur de réflectivité du premier pixel, lesdites parties de l'image radar correspondant à des zones situées à une distance supérieure à un seuil donnée de l'antenne radar. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit seuil est égal à 8ONM. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la position d'un objet est donnée par la position de son sommet. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première méthode (méhode 1) comporte une suppression du fouillis au sol (21) et, pour chaque pixel de l'image, une minimisation de l'erreur quadratique (22) entre la valeur de réflectivité du pixel considéré et une valeur de réflectivité estimée à partir du diagramme de l'antenne radar et des valeurs de réflectivité des pixels environnant le pixel considéré. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième méthode (méthode 2) comprend une détermination deladite ouverture angulaire correspondant à l'étendue dans un plan de l'objet extrait, l'objet étant situé à une distance donnée de l'antenne radar, ladite détermination comportant : une étape de mesure d'échos dans des directions 9 et O9 9 + 09 du plan, où 9p est un angle variable correspondant à des directions du plan et AO est une ouverture angulaire donnée ; une étape de calcul des différences deux à deux entre les mesures d'échos prises dans les directions 9p ù 09 et 9p + O9 ; une étape de détermination de la pente en une valeur 9p d'une ~o fonction e de 9p interpolée entre les différences calculées, l'ouverture angulaire qui correspond à l'étendue de l'objet à la distance donnée étant déduite de la pente. 6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la pente de la fonction e est déterminée en la valeur de 9p pour laquelle la fonction e 15 s'annule sensiblement. 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'ouverture angulaire qui correspond à l'étendue de l'objet à la distance donnée est extraite d'une base de correspondance associant des valeurs d'ouvertures angulaires à des valeurs de pente, la pente de la fonction e en 20 la valeur de 9p pour laquelle la fonction e s'annule ayant été préalablement calculée à partir de mesures effectuées sur un objet synthétique d'ouverture angulaire variable. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le plan est le plan horizontal 25 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le plan est le plan vertical. 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le radar est un radar météorologique, l'ouverture angulaire correspondant à la hauteur d'un nuage. 11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la 5 valeur de Op pour laquelle la fonction e s'annule est supposée pointer le centre du nuage, l'altitude du centre du nuage étant calculée par trigonométrie en utilisant la distance donnée entre l'antenne radar et le nuage. 12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ~o l'altitude du sommet du nuage est calculée en ajoutant la moitié de la hauteur du nuage à l'altitude du centre du nuage. 13. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le radar météorologique est aéroporté.