Localisation par Interférométrie

    Contrairement aux systèmes de localisation hyperbolique (LPATS) et à la méthode goniométrique, la méthode de détection interférométrique allie l'analyse de l'activité orageuse intranuages, préalable à l'activité au sol, et l'analyse a posteriori des informations liées à la chute de la foudre au sol ( cependant la méthode par interférométrie est très proche de la méthode goniométrique )

    Nous décrirons, ici, le système SAFIR (Système d'Alerte Foudre par Interférométrie Radioélectrique). Son objectif premier est d'assurer une détection totale de l'activité électrique présente dans un nuage d'orage, de façon en particulier à assurer une fonction de suivi et de prévision du développement des cellules orageuses, ce que ne permettent pas les systèmes de détection de l'activité nuages-sol. Il vient ainsi compléter l'imagerie radar.

Principes de fonctionnement

    Cette méthode utilise des détecteurs interférométriques à la place des antennes à boucle magnétique pour trouver la direction de l'impact.

Un système SAFIR comprend en général trois stations de détection réparties au sommet d'un triangle de l'ordre de 50 à 150 km de côté et synchronisées. Chaque station est constituée par trois antennes VHF sur lesquelles repose la mesure interférométrique. Le système est complété par un capteur de champ électrique.

    Dans un premier temps au niveau d'une station, le jeu des trois antennes VHF va permettre de déterminer, par l'analyse des différences de phase (interférométrie), la localisation angulaire ou direction où se produit la décharge. Chacun des ensembles d'antennes de chaque station procède à la même opération. Dans un deuxième temps, le système calcule en deux ou trois dimensions le lieu d'intersection des directions obtenues par chacune des stations (triangulation). Ce lieu représente le trajet de la décharge. L'étude successive des différents trajets de décharge permet, grâce à de puissants moyens de calcul, de déterminer l'évolution des cellules orageuses.

Illustration de la technique de localisation radio goniométrique par interférométrie (doc. Onera/Dimensions)

Performances

    La localisation ne dépend pas de la reconnaissance d'une forme d'onde, ce qui rend la précision de localisation non tributaire de l'environnement et de la distance du coup de foudre.

    D'autre part, SAFIR travaille dans la gamme de fréquence comprise entre 110 et 300 MHz, ce qui lui permet d'enregistrer, non seulement les rayonnements électromagnétiques liés aux courants de retour des éclairs, mais la plus grande partie de l'activité électromagnétique de l'orage. La résolution temporelle des claquages détectés est comprise entre 1 µs et 100 µs, tandis que la précision de localisation s'étend de quelques dizaines de mètres à quelques centaines de mètres : elle est de l'ordre de 2 km pour des stations situées à 150 km l'une de l'autre et peut être ramenée à 500 m, en réalisant une analyse fine de la différence des temps d'arrivée du signal sur chaque station. La portée de détection est comprise entre 70 et 100 km.

Le matériel offre une précision de mesure en azimut de 0,25° et une précision de mesure de site de 0.5°.

    L'option "discrimination" permet de différencier les décharges nuages-sol des décharges intranuages. Elle permet également de déterminer la polarité des décharges de foudre au sol. Le capteur de mesure utilisé est une antenne capacitive à grande sensibilité permettant l'acquisition et le traitement du champ électrique basse fréquence rayonné par l'arc en retour. Il est constitué par un feuillard cylindrique plaqué sur le mat de l'antenne à quelques mètres du sol, ce qui permet de ne mesurer que la composante verticale du champ électrique. Un système d'intégration et un analyseur de transitoires qui permet d'enregistrer les signaux et de différencier les décharges intranuages des décharges au sol, en fonction des signatures différentes de ces deux types de décharges. Les décharges au sol présentent une impulsion de temps de front de l'ordre de 2 à 3 µs et un temps de queue supérieur à 10 µs. La mesure du champ électrique est une mesure absolue et sa dynamique s'étend de ± (1 V/m à 4000 V/m). Le temps d'acquisition est de 200 µs.

    L'option "Paramètres électriques" permet en outre de déterminer les caractéristiques du courant de foudre des coups au sol (amplitude, temps de montée, temps de descente) à partir de la mesure du champ électrique. En mode standard, SAFIR utilise le modèle usuel de ligne de transmission (TLM) avec comme vitesse de l'arc en retour à la base du canal 1,1.10⁸ m/s. D'autres modèles plus complets et tenant compte en particulier de la conductivité finie du sol et des effets de propagation avec la distance peuvent être utilisés.

Les caractéristiques de la fonction "discrimination - paramètres électriques" sont les suivantes :

· Bande passante : 1 kHz - 5 MHz,

· Temps de montée : 125 ns, 0 à 32 µs,

· Temps de descente : 1 µs, 0 à 256 µs,

· Amplitude : 12 bits.

Les données restituées sont les suivantes :

· Date et heure,

· longitude/latitude,

· Polarité,

· Temps de montée,

· Temps de descente,

· E max. en V/m,

· I max. en kA,

· distance de l'impact à la station de mesure,

· Pente en kA/µs,

· Intégrale d'action en A²s,

· intégrale de courant en As.

    De plus, si plusieurs arcs peuvent être associés au même éclair, ces mesures sont regroupées.

    La validation de l'efficacité de la détection, de la précision et des critères appliqués ont été réalisés dans le passé par comparaison avec les données issues d'un moulin à champ. Il est envisageable de valider le système en utilisant la technique des tirs déclenchés.

    Les principales limites du système sont liées aux fonctions de discrimination du système qui peut conduire à des fausses alertes.

Utilisations

Les utilisations sont basées sur les trois principales fonctions du système SAFIR :

· Localisation des décharges de foudre,

· cartographie présente des zones à risques,

· Prévisions d'évolutions et de déplacements des zones orageuses.

    Des systèmes SAFIR sont actuellement utilisés à Kourou, pour protéger le site de lancement des fusées Ariane, et au Centre d'Essais des Landes, où sont testés en particulier les missiles stratégiques de l'armée française au-dessus de l'Atlantique. La pré-alerte de risques orageux permet de prendre un certain nombre de dispositions conservatrices.

    Une station SAFIR est également exploitée en Ile-de-France par Météo France.

    Une station SAFIR a été acquise par la Kansaï (Japon) de façon à assurer la protection des sites de production, en particulier nucléaires, et agir sur la gestion des réseaux (prévision de délestage, renforcements, etc.).

    Un SAFIR a également été installé en Belgique par l'Institut Royal de Météorologie qui, en particulier retransmet les informations recueillies à Laborelec dans le cadre de la prévision des mouvements d'énergie.

    Les caractéristiques actuellement retenues du système SAFIR laissent penser que leur utilisation permettrait d'améliorer les données statistiques relatives au courant de foudre et celles relatives aux densités de foudroiement.