Brevet FR3088306A1 — publié le 20200515

Drone aérien pour la cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement gamma La présente invention concerne un drone aérien pour la cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement gamma, du type comprenant : - un fuselage comprenant un logement, - au moins une aile fixée au fuselage, l'aile présentant une surface destinée à être orientée vers le sol, et - au moins un scintillateur. La cartographie par mesure du rayonnement gamma (radiométrie ou spectrométrie) est une méthode géophysique directe, basée sur la mesure du rayonnement gamma émis depuis le sol, principalement par les radioéléments naturels (40K, 238u, 232Th) et leurs descendants présents naturellement dans les roches. Ce type de mesure est particulièrement approprié pour la cartographie géologique et pédologique. La cartographie par mesure du rayonnement gamma est particulièrement utile en exploration et exploitation minières et dans le domaine de l'environnement pour mieux appréhender l'état géochimique du sol, par exemple lors du démantèlement et de la réhabilitation de sites miniers et industriels. La cartographie aéroportée du rayonnement gamma s'effectue généralement à l'aide d'une plateforme aéroportée, comme par exemple un avion ou un hélicoptère, et d'un scintillateur, généralement un cristal d'iodure de sodium (Nal) ou de Germanium (Ge), fixé sur la plateforme aéroportée, et orienté vers la surface du sol. Ce type de levé aéroporté est particulièrement adapté pour couvrir rapidement de vastes zones d'intérêt (e.g. plusieurs dizaines de km2) mais avec une résolution assez faible compte tenu de la vitesse de l'avion ou de l'hélicoptère (e.g. de 80 km/h à 200 km/h), de la distance entre les lignes de vols (e.g. quelques centaines de mètres) et de l'altitude élevée par rapport au sol (e.g. de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres). La résolution du levé dépend également du volume et de la surface orientée vers le sol du scintillateur embarqué. A vitesse et altitude constantes, plus le volume du scintillateur et la surface orientée vers le sol sont grands, meilleure est la résolution. Une alternative pour cartographier des zones d'intérêt de dimensions plus réduites (e.g. quelques centaines de mètres carrés à quelques kilomètres carrés) avec une résolution plus élevée consiste à utiliser un drone aérien sans pilote. Ce type de plateforme aéroportée est particulièrement adapté pour couvrir des zones trop petites pour justifier économiquement la mobilisation d'un avion ou d'un hélicoptère. Le drone aérien est également un outil idéal pour accéder à des zones d'intérêt potentiellement 2 dangereuses ou difficiles d'accès pour un opérateur sur le terrain. Le drone est un outil précis, peu onéreux et facile d'utilisation. Les drones aériens actuels, du fait de leur capacité d'emport limitée, sont principalement équipés de scintillateurs de faible volume (i.e. de 0,5 cm3 à 100 cm3), 5 généralement sous la forme de cristaux inorganiques (Nal ou Ge) et présentent par conséquent une faible capacité de détection, plus particulièrement dès lors que le rayonnement gamma à mesurer est faible. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant un drone aérien pour la cartographie aéroportée par mesure du rayonnement gamma qui permette de 10 réaliser des levés avec une résolution élevée et ainsi de détecter des sources de rayonnement gamma au sol ponctuelles ou de faible activité. Pour ce faire, l'invention a pour objet un drone aérien du type précité dans lequel : - l'aile comprend un logement, - le scintillateur est un scintillateur organique plastique, et 15 - au moins une partie du scintillateur est reçu dans au moins une partie du logement de l'aile, et/ou au moins une partie du scintillateur est reçu dans au moins une partie du logement du fuselage. Ainsi, le volume et la surface du scintillateur orientée vers le sol sont maximisés permettant d'améliorer la résolution de détection. De plus, la faible densité des 20 scintillateurs organiques plastiques et le fait qu'il est techniquement aisé de leur donner n'importe quelle forme et n'importe quelle taille, permettent de tenir compte des contraintes liées à l'utilisation d'un drone aérien. Suivant des modes particuliers de réalisation, le drone selon l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les 25 combinaisons techniquement possible : - le scintillateur occupe au moins 30% du volume total de l'aile, de préférence au moins 50% du volume total de l'aile, de préférence encore 80% du volume total de l'aile ; - la surface d'une projection du scintillateur sur la surface de l'aile destinée à être orientée vers le sol représente au moins 30% de la surface de l'aile destinée à être 30 orientée vers le sol ; - l'aile s'étend selon un plan moyen, le scintillateur s'étendant principalement dans un plan sensiblement parallèle au plan moyen ou confondu avec le plan moyen ; - le volume du scintillateur) est compris entre 0,3 I et 3 I ; - le drone comprend en outre au moins un photomultiplicateur connecté au 35 scintillateur ; 3 - le scintillateur comprend une portion de liaison destinée à être connectée directement au photomultiplicateur ; - le drone comprend deux ailes définissant respectivement un premier logement et un deuxième logement, un premier scintillateur et un deuxième scintillateur reçus 5 respectivement par le premier logement et le deuxième logement ; - le drone comprend deux ailes définissant respectivement un premier logement et un deuxième logement, et un unique scintillateur reçu au moins en partie par le premier logement et le deuxième logement. Selon un autre aspect, l'invention porte sur un procédé de cartographie aéroportée 10 d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement gamma, à l'aide d'un drone aérien tel que décrit précédemment. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexées parmi lesquels : 15 - la figure 1 présente une vue schématique d'un drone aérien selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 présente une section transversale d'une aile du drone de la figure 1, - la figure 3 présente une vue schématique d'un drone aérien selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, et 20 - la figure 4 présente une vue schématique d'un drone selon un troisième mode de réalisation. La figure 1 présente un drone aérien 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le drone 10 est adapté pour la cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement gamma. 25 Le drone 10 est du type à voilure fixe. Le drone 10 comprend un fuselage 12 définissant un logement interne 14. Le drone 10 comprend en outre deux ailes 16 fixées sur le fuselage 12. Chacune des ailes 16 s'étend selon un plan moyen P. Comme visible sur la figure 2, l'aile 16 présente par exemple un profil convexe. En variante, le profil de l'aile 16 est de 30 tout type adapté, tel que biconvexe symétrique ou biconvexe dissymétrique. Les deux ailes 16 définissent respectivement un premier logement 18 et un deuxième logement 20. Préférentiellement, le premier logement 18 et le deuxième logement 20 forment une cavité interne dans chacune des ailes 16. 4 Les ailes 16 et le fuselage 12 sont par exemple en mousse de polypropylène expansée (Expanded polypropylene ou EPP en langue anglaise). Ce matériau présente l'avantage d'être léger et robuste. Le drone 10 comprend un scintillateur 22 reçu en partie par le premier logement 5 18, en partie par le deuxième logement 20 des ailes 16, et en partie par le logement interne 14 du fuselage 12. Le drone 10 comprend en outre un photomultiplicateur 24 connecté au scintillateur 22. Comme représenté dans l'exemple, le scintillateur 22 s'étend principalement dans 10 un plan sensiblement confondu avec le plan moyen P. En variante, le scintillateur 22 s'étend principalement dans un plan sensiblement parallèle au plan moyen P. Sur l'exemple représenté sur la figure 1, le scintillateur 22 comprend une première partie 26 et une deuxième partie 28 reliées entre elles par une portion de liaison 30 15 formant un collecteur optique 32. La première partie 26 et la deuxième partie 28 sont respectivement reçues par le premier logement 18 et le deuxième logement 20 des ailes 16. En référence à la figure 2, chaque aile 16 est formée par exemple de deux pièces 16a, 16b fixées entre elles. 20 Les deux pièces 16a, 16b sont par exemple fixées par encliquetage. Les deux pièces 16a, 16b fixées entre elles définissent le logement 18, 20 apte à recevoir au moins une partie du scintillateur 22. En variante, l'aile 16 est faite d'un seul tenant. La première partie 26 et la deuxième partie 28 présentent par exemple une forme 25 prismatique. En variante, la première partie 26 et la deuxième partie 28 présentent une forme similaire à l'aile 16, par exemple convexe, biconvexe symétrique ou biconvexe dissymétrique. La première partie 26 et la deuxième partie 28 du scintillateur 22 présentent 30 préférentiellement un volume identique. Le collecteur optique 32 est reçu par le logement interne 14 du fuselage 12. Avantageusement, le scintillateur 22, et plus précisément le collecteur optique 32 comprend une portion de connexion 34 destinée à être connectée directement au photomultiplicateur 24. Par « directement », on entend qu'aucune liaison optique 35 supplémentaire n'est nécessaire pour connecter le scintillateur 22 au photomultiplicateur 24. 5 De manière générale, un scintillateur est fait d'un matériau qui émet de la lumière à la suite d'un dépôt d'énergie par interaction avec un rayonnement gamma. Le scintillateur 22 du drone aérien 10 selon l'invention est un scintillateur organique plastique. 5 Le scintillateur organique plastique comprend deux composants fondamentaux : un solvant et au moins un soluté. Le solvant absorbe l'énergie du rayonnement gamma et son excitation est transférée au soluté qui émet la lumière. Les solvants présents dans les scintillateurs organiques plastiques sont par exemple l'anthracène, le trans-stilbène, la naphtaline, le polyvinylbenzène, le polyvinyltoluène, ou le polystyrène. Les solutés sont 10 par exemple le p-terphényle, le 2,5-Diphényloxazote (DPO), le 2-(4-BiphénylyI)-5-phényl- 1,3,4-oxadiazole (PBD), le 1,4-bis(5-phényloxazol-2-y1) benzène (POPOP), le 2,5-bis([1, 1I-bipheny1]-4-y1)-oxazole (BBO) ou le 2-(4-Biphényl)-5-phényloxazole (BPO). Le scintillateur 22 présente par exemple une densité comprise entre 1,1 g/cm3 et 1,3 g/cm3, par exemple 1,2 g/cm3. Ceci est particulièrement avantageux compte tenu de 15 la capacité d'emport limitée, de l'ordre de 0,1 kg à 5 kg, du drone. Le scintillateur 22 occupe avantageusement au moins 30% du volume total de l'aile 16, de préférence au moins 50% du volume total de l'aile 16, de préférence encore 80% du volume total de l'aile 16. Le volume du scintillateur 22 est avantageusement compris entre 0,31 et 31, par exemple 1 I. 20 Préférentiellement, la surface d'une projection du scintillateur 22 sur la surface de l'aile 16 destinée à être orientée vers le sol représente au moins 30% de la surface de l'aile 16 destinée à être orientée vers le sol, de préférence au moins 50% de la surface orientée vers le sol de l'aile 16, de préférence encore 80% de la surface orientée vers le sol de l'aile 16. 25 A titre d'exemple, la surface de la projection du scintillateur 22 sur la surface de l'aile 16 destinée à être orientée vers le sol est comprise entre 200 cm2 et 2 m2, par exemple 1 m2. Le photomultiplicateur 24 permet la détection des photons émis par l'interaction entre le rayonnement gamma et le scintillateur 22. 30 Le photomultiplicateur 24 est du type connu de l'état de la technique et n'est pas décrit ici. Préférentiellement, le drone 10 comprend un système de commande 35 connecté au photomultiplicateur 24. Le système de commande 35 comprend une unité de commande 36, une unité de 35 positionnement 38, une centrale inertielle 40, une source d'alimentation 42, un émetteur/récepteur 44, et/ou le support de stockage de données 46, et un altimètre 47. 6 L'unité de commande est connectée à l'unité de positionnement 38, l'altimètre 47, la centrale inertielle 40, la source d'alimentation 42, l'émetteur/récepteur 44, et/ou le support de stockage de données 46, et est destinée à commander chacun de ces éléments. 5 L'unité de positionnement 38 est par exemple une unité de positionnement GNSS (pour Global Navigation Satellite System en langue anglaise) ou DGNSS (pour Differential Global Navigation Satellite System en langue anglaise). L'unité de positionnement 38 permet d'obtenir la position précise du drone 10 pendant le vol et ainsi d'associer à chaque mesure du rayonnement gamma des coordonnées géographiques. 10 La source d'alimentation 42 est par exemple une batterie lithium-polymère ou lithium-ion, qui permet une autonomie de vol comprise entre 30 minutes et 2 heures. La source d'alimentation 42 est avantageusement amovible. L'émetteur/récepteur 44 permet la communication entre le drone 10 et un dispositif de contrôle au sol (non représenté). 15 L'émetteur/récepteur 44 permet notamment de communiquer en temps réel les paramètres de vol du drone 10 comme par exemple, la position, la vitesse, l'altitude etc. vers le dispositif de contrôle au sol ainsi que la mesure du rayonnement gamma. Le support de stockage de données 46 permet par exemple de stocker les mesures du rayonnement gamma, les coordonnées géographiques associées à chacune 20 des mesures, ainsi que les paramètres de vol du drone 10. Par exemple, le support de stockage 46 est utilisé comme support de stockage temporaire, avantageusement lorsque se produit un problème de communication entre l'émetteur/récepteur du drone 10 et l'émetteur/récepteur du dispositif de contrôle au sol. En variante, seuls les paramètres de vol sont échangés entre l'émetteur/récepteur 25 du drone 10 et l'émetteur/récepteur du dispositif de contrôle au sol. Les mesures du rayonnement gamma et les coordonnées géographiques associées sont stockés sur le support de stockage 46. Les données sont ensuite récupérées par l'utilisateur une fois le vol terminé. Le support de stockage 46 est par exemple une carte mémoire ou un disque dur, 30 avantageusement amovible. Le dispositif de contrôle au sol comprend typiquement un calculateur connecté à un émetteur/récepteur. Le calculateur comprend un processeur et une mémoire recevant au moins un module logiciel. Le processeur est adapté pour exécuter le ou les module(s) logiciel(s). 35 La mémoire contient par exemple un module de pilotage automatique. Le module de pilotage automatique reçoit notamment en entrée les paramètres de vol du drone 10 7 en temps réel via l'émetteur-récepteur. Le module de pilotage automatique calcule ensuite les corrections à apporter pour maintenir la trajectoire du drone 10 le long d'un plan de vol déterminé par l'utilisateur. Les corrections sont envoyées depuis l'émetteur/récepteur du dispositif de contrôle vers l'émetteur/récepteur 44 du drone 10. 5 Le module de pilotage automatique permet notamment de contrôler la fréquence d'échantillonnage des mesures de rayonnement gamma, le plan de vol du drone 10, l'altitude du drone, etc. Le module de pilotage automatique analyse en continu les données fournies par l'unité de positionnement 38 et de la centrale inertielle 40 du drone 10. 10 Le dispositif de contrôle comprend en outre une unité d'affichage et une interface homme-machine. L'unité d'affichage est par exemple un écran d'ordinateur. L'interface homme-machine est préférentiellement une souris ou un clavier. Un procédé de cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du 15 rayonnement gamma, à l'aide d'un drone 10 tel que décrit plus haut va maintenant être décrit. Le procédé comprend par exemple une première étape au cours de laquelle le plan de vol et les caractéristiques du levé sont définis par l'utilisateur. De manière non exhaustive, les caractéristiques du levé sont par exemple l'altitude, la longueur des lignes 20 de vol, la distance entre les lignes de vols, la fréquence d'échantillonnage etc. La définition du plan de vol et des caractéristiques du levé est avantageusement réalisée à l'aide de la station de contrôle au sol. Le drone 10 est ensuite lancé manuellement par l'utilisateur ou au moyen d'un lanceur. 25 Le drone 10 communique alors en temps réel avec la station de contrôle au sol à l'aide de l'émetteur/récepteur 44 tout au long du vol. Au cours du vol, le rayonnement gamma du sol est mesuré à l'aide du scintillateur 22 auquel est connecté le photomultiplicateur 24. L'unité de positionnement 38 détermine pour chacune de ces mesures les coordonnées géographiques associées. 30 Les mesures de rayonnement gamma, les coordonnées géographiques et les paramètres de vols sont transmis par l'émetteur/récepteur 44 à la station de contrôle au sol. Le module de pilotage automatique permet de maintenir le drone 10 le long du plan de vol défini par l'utilisateur. Lorsque l'acquisition des mesures est terminée, le drone 10 revient à sa position 35 de décollage, à proximité de l'utilisateur. 8 Les mesures du rayonnement gamma sont ensuite représentées sous la forme de carte, généralement par interpolation des mesures. Les cartes obtenues représentent alors des outils d'aide à la décision pour la caractérisation géologique, minière ou environnementale de la zone d'intérêt. 5 La figure 3 présente un deuxième mode de réalisation d'un drone aérien 100 selon l'invention. Dans cet exemple, le scintillateur 22 présente une géométrie différente par rapport au scintillateur 22 du drone 10 selon le premier mode de réalisation. Comme expliqué précédemment, un scintillateur organique plastique peut prendre n'importe quelle forme et 10 peut donc s'adapter à la géométrie du drone aérien. Sur la figure 3, l'unité de commande 36, l'unité de positionnement 38, la centrale inertielle 40, la source d'alimentation 42, l'émetteur/récepteur 44, et l'espace de stockage de données 46 ne sont pas représentés. Ils sont reçus par un logement interne du fuselage non représenté. 15 La figure 4 présente un troisième mode de réalisation d'un drone aérien 200 selon l'invention. Ce mode de réalisation sera décrit par différences par rapport au premier mode de réalisation. Dans cet exemple, le drone 200 comprend un premier scintillateur 22A et un deuxième scintillateur 22B disposés respectivement dans le premier logement 18 et le 20 deuxième logement 20 des ailes 16. Avantageusement, les ailes 16 sont fixées sur le fuselage 12 de manière amovible, par exemple par encliquetage. Ceci facilite le transport du drone 200 sous forme démontée jusqu'au point de décollage et permet un montage facile du drone 200. En variante (non représentée), le drone comprend une unique aile, par exemple de 25 forme triangulaire, fixée sur une partie supérieure du fuselage. En variante encore (non représentée), le premier logement 18 et le deuxième logement 20 sont des logements débouchant au niveau d'une partie inférieure de l'aile 16, c'est-à-dire au niveau de la surface de l'aile 16 destinée à être orientée vers le sol au cours du vol du drone 10, 100, 200. 30 Ainsi, le drone 10, 100, 200 selon l'invention est particulièrement avantageux car l'utilisation d'un scintillateur organique plastique, du fait de la faible densité du matériau qui le compose, permet de maximiser le volume du scintillateur 22. De plus, avec un scintillateur organique plastique, le rendement lumineux est élevé et la transmission du signal est rapide. 35 En intégrant le scintillateur 22 dans les ailes 16 du drone 10, 100, 200 la surface de détection exposée au rayonnement gamma est également maximisée. Ceci permet 9 une meilleure détection des sources de faible activité. De plus, intégré dans les ailes 16, le scintillateur 22 est protégé des éléments extérieurs et/ou des chocs pouvant altérer son efficacité. En intégrant le scintillateur 22, 22A, 22B dans les ailes 16 et/ou le fuselage 12, le 5 scintillateur 22, 22A, 22B est protégé mécaniquement par les ailes 16 et/ou le fuselage 12.Ceci permet de protéger le scintillateur 22, 22A, 22B des chocs par exemple lors de l'atterrissage du drone et ainsi de prolonger sa durée de vie. La mise en oeuvre du drone 10, 100, 200 selon l'invention permet la réalisation rapide et à faible coût de cartographie du rayonnement gamma de façon autonome et à 10 distance. 10 REVENDICATIONSDrone aérien (10, 100, 200) pour la cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement gamma, comprenant : - un fuselage (12) comprenant un logement (14), - au moins une aile (16) fixée au fuselage (12), l'aile présentant une surface destinée à être orientée vers le sol, et - au moins un scintillateur (22, 22A, 223), caractérisé en ce que : - l'aile (15) comprend un logement (18, 20), le scintillateur (22, 22A, 223) est un scintillateur organique plastique, et - au moins une partie du scintillateur (22, 22A, 223) est reçu dans au moins une partie du logement (18, 20) de l'aile (16), et/ou au moins une partie du scintillateur (22, 22A, 22B) est reçu dans au moins une partie du logement (14) du fuselage (12). 2.- Drone (10, 100, 200) selon la revendication 1, dans lequel le scintillateur (22, 22A, 223) occupe au moins 30% du volume total de l'aile (16), de préférence au moins 50% du volume total de l'aile (16), de préférence encore 80% du volume total de l'aile (16). 3.- Drone (10, 100, 200) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, la surface d'une projection du scintillateur (22, 22A. 223) sur la surface de l'aile (16) destinée à être orientée vers le sol représente au moins 30% de la surface de l'aile (16) destinée à être orientée vers le sol. 4.- Drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'aile (16) s'étend selon un plan moyen (P), le scintillateur (22, 22A, 22B) s'étendant principalement dans un plan sensiblement parallèle au plan moyen (P) ou confondu avec le plan moyen (P). 30 5.- Drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le volume du scintillateur (22. 22A, 223) est compris entre 0,3 et 3 6.- Drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 35 comprenant en outre au moins un photomultiplicateur (24) connecté au scintillateur (22, 22A, 223), 25 11 7. Drone (10, 100, 200) selon la revendication ô, dans lequel le scintillateur (22, 22A, 22B) comprend une portion de liaison (30) destinée à être connectée directement au photomultiplicateur (24). 8. Drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant : - deux ailes (16) définissant respectivement un premier logement (18) et un deuxième logement (20), - un premier scintillateur (22A) et un deuxième scintillateur (22B) reçus respectivement par le premier logement (18) et le deuxième logement (20). 9. Drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. comprenant 15 - deux ailes (16) définissant respectivement un premier ogement (18) et un deuxième logement (20), et - un unique scintillateur (22) reçu au moins en partie par le premier ogement (18) et le deuxième logement (20). zo 10. Procédé de cartographie aéroportée d'une zone d'intérêt par mesure du rayonnement oamma, à l'aide d'un drone (10, 100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.