Essais & Simulations n°110

L’itinéraire choisi pour le test avait trente
kilomètres environ de long, avec des
mesures qui duraient près de trente
minutes. Cet itinéraire comportait plusieurs
configurations, avec des 2x1 voies à des
autoroutes à plusieurs voies, des passages
supérieurs et inférieurs, avec et sans forêts
sur le côté. Les mesures ont été conduites
en absence de rayonnement solaire pour
éviter des artéfacts, et avec une légère
couverture nuageuse. Le véhicule est resté
dans la voie la plus à droite en circulation
sur autoroutes. Une distance importante
a été laissée entre le véhicule et celui qui
le précédait pour éviter de prendre en
compte sa signature thermique.
Dans une telle configuration, il existe une
forte variété de matériaux utilisés pour
l’élaboration de la route empruntée. De
plus, avec le vieillissement et l’usure des
revêtements, ainsi que les réparations, de
nombreuses situations différentes ont été
rencontrées tout au long de ces trente kilomètres.
Une émissivité constante pouvait
difficilement être choisie. Son émissivité
peut être considérée comme proche de 1
dans des conditions d’observations proche
de la normale par rapport à la surface de
la chaussée. D’après la littérature consultée,
l’émissivité décroît lorsque l’angle
d’observation s’approche des 90° par
rapport à la normale de la surface considérée.
Cependant, en première approche,
la spécularité de la chaussée a été
négligée. Des différences peuvent survenir
entre les mesures du radiomètre et celles
de la caméra thermique.
Résultats et discussion
Avant tout traitement spécifique ou correction
d’environnement radiatif, un offset est
alors observé entre les mesures données
par les deux instruments, les températures
mesurées par la caméra thermique étant
significativement basses. Cependant, l’allure
des courbes semble similaire. De plus,
les éléments principaux de l’itinéraire tels
que des ponts sont correctement détectés
par les deux instruments. Avant toute
correction, l’amplitude thermique mesurée
avec la caméra (11°C) est supérieure à
celle donnée par le radiomètre (6°C).
L’équilibre radiatif du système peut s’écrire
selon l’équation 1.
Dans la configuration choisie, la distance
maximale entre la caméra et la route, où
une mesure est effectuée, est approximativement
quinze mètres. La situation
météorologique était telle qu’aucun nuage
ni brouillard n’étaient présents durant les
mesures. Le coefficient de transmission
atmosphérique a donc été pris égal à 1.
La contribution de l’atmosphère peut dès
lors être négligée.
Les mesures avec la caméra thermique
ont été effectuées en considérant que les
corps dans son champ de vision étaient
de corps noirs. L’équation 1 devient alors
équation 2 en absence de spécularité. La
luminance de l’environnement radiatif s’obtient
avec un miroir installé dans le champ
de vision de la caméra infrarouge. Comme
expliqué dans les paragraphes précédents,
les mesures sont conduites avec une
caméra présentant un angle rasant par
rapport à la surface de la chaussée. Dans
une telle configuration, l’émissivité est inférieure
aux habituels 0.95-0.98 de matériaux
non métalliques en général et des
bétons bitumineux en particulier. Une émissivité
de 0.77 a été choisie, en cohérence
avec la littérature. Cette valeur permet de
prendre en compte le caractère rasant de
l’observation. Ce choix conduit à faire coïncider
les valeurs issues du radiomètre
infrarouge, choisi comme référence, avec
celles de la caméra thermique. Ainsi, avec
l’équation 2, les corrections d’environnement
radiatif peuvent être obtenues. Une
fois accomplies les corrections d’environnement
radiatif, et celle de distance entre
les deux mesures, on obtient une bonne
concordance des températures mesurées
avec les deux instruments.
Il existe de nombreuses manières de
calculer le risque hivernal (RH, ou WR en
anglais) d’un itinéraire. En France, la
moyenne de certains paramètres (température
d’air, humidité relative, température
de surface de chaussée, point de rosée)
sont communément utilisées pour analyser
le risque d’occurrence d’eau solide.
Le risque hivernal RH est défini selon
l’équation 3.
Une telle approche du risque hivernal n’est
pas optimale. Le choix d’une moyenne de
tout l’itinéraire peut dissimuler des singularités
d’un itinéraire. De plus, si on considère
deux tronçons d’un même itinéraire
analysés à deux moments différents d’une
même saison, un tel calcul ne permet pas
la concaténation. Un calcul avec l’équation
(3) a été entrepris avec les données
de la caméra thermique et les corrections
nécessaire. L’allure globale était respectée
mais avec des différences nettes entre les
deux instruments. Cette différence peut
être aisément expliquée en raison de la
sensibilité de l’expression à la moyenne.
Elle est de 0.7°C avec le radiomètre,
contre 1.3°C pour la caméra Flir, alors que
la moyenne du point de rosée est identique
dans les deux cas.
Les mesures avec la caméra thermique
ont une étendue spatiale donnée. En
raison de l’angle d’observation rasant, les
points les plus lointains de la caméra apparaissent
plus froids que ceux plus proches
du véhicule, la différence atteignant parfois
2°C. Une correction basée sur une distribution
d’émissivité sur la zone d’analyse
de la caméra peut être envisagée, en lieu
et place d’une émissivité constante. Ce
paramètre décroît fortement pour des
angles d’observation inférieurs à 10°
d’angle. Ces effets, combinés à la sensibilité
de la caméra thermique, ont conduit
à exacerber le risque hivernal. Bien que
très courante, cette approche présente
des limites. Bien que les deux instruments
présentent des distributions gaussiennes
de températures, la sensibilité à la moyenne
est nette. Deux mesures distinctes d’un
même tronçon ne permettent pas de
recouvrement en terme de risque hivernal
puisque la moyenne change. De plus,
prendre une moyenne globale est délicat
puisque le comportement thermique local
est le résultat d’un équilibre énergétique
local, et non la conséquence d’évènements
plusieurs kilomètres amont et aval. L’autre
désavantage d’une moyenne globale est
la disparition de prise en compte des
saisons et de l’infrastructure. Le risque
hivernal est nécessairement davantage
marqué en hiver qu’en n’importe quelle
autre saison, bien que le risque de condensation
existe toujours. Cependant une
moyenne globale d’un itinéraire ne reflète
ni les saison, ni les effets d’un pont
communément identifiés comme des
zones préférentielles d’occurrence de
verglas en raison d’un effet convectif
plus marqué.
Afin d’étudier une approche plus appropriée
et plus cohérente du risque hivernal,
une moyenne glissante a été testée, et ce
sur des mesures conduites tout au long
d’une année calendaire. Cette moyenne
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