TECHNIQUE DE TELEMESURE DOPPLER ATMOSPHERIQUE PAR UN RADAR OPTIQUE ET SIMULATION

Epaisseur optique

De manière générale, l’épaisseur optique (grandeur sans unité) décrit la quantité de lumière qui traverse un matériau. Plus l’épaisseur optique est grande, moins la lumière traverse le matériel. Dans le cadre du photomètre, l’épaisseur optique mesurée est celle de l’atmosphère. Elle caractérise donc en quelque sorte la transparence de l’atmosphère. Plus notre visibilité est réduite, plus l’épaisseur optique de l’atmosphère est importante.
La transparence de l’atmosphère est altérée par plusieurs facteurs comme la présence de nuages, d’aérosols mais aussi par les molécules de l’atmosphère elles-mêmes
Sections efficaces
La section efficace de diffusion, notée , est telle que le produit soit égal à la puissance diffusée par la particule dans tout l’espace, étant la puissance par unité de surface véhiculée par l’onde plane incidente.
On introduit de même la section efficace d’absorption, notée , en ecrivant que est égal a la puissance absorbée dans la particule.Pour une particule non absorbante, on  a  évidemment .
La puissance cédée par le champ incident à la particule est soit diffusée, soit absorbée. Cette puissance contribue à atténuer l’onde incidente : on parle d’extinction. On définit alors la section efficace d’extinction, notée telle que le produit soit égal à la puissance prélevée à l’onde incidente. On a donc extinction = diffusion + absorption
Ce qui s’écrit en termes de sections efficaces : (4.03)
Cette relation traduit la conservation de l’´energi e dans un processus de diffusion d’onde. On notera que pour une particule non absorbante, les sections efficaces de diffusion et d’extinction sont égales
Technique de mesure atmosphérique
Mesure de distance
Comme le RADAR ; le lidar permet aussi de mesurer la distance parcourue par les faisceaux laser entre l’émetteur et la cible. Cette mesure est illustrée par la figure suivante Figure4.01 : Principe de mesure de l’altitude
A chaque impulsion laser émise ; les photons rétrodiffusés par les cibles sont captés par des télescopes, filtrés par un spectromètre puis transmis par fibre optique à de puissants photomultiplicateurs (de gain 106).
Mesure de Vitesse Radiale
Le montage interférométrique correspond à une détection hétérodyne du signal laser; la source est un laser monomode, continu, stable en fréquence. La voie oscillateur local, prélevé en sortie de laser par une lame séparatrice, subit une translation en fréquence de valeur∆ par rapport au flux laser émis en direction de l’objet .Apres réflexion sur l’objet, le flux laser de retour est lui-même translate en fréquence, en fonction de la vitesse radiale de l’objet .
La mesure de cette fréquence au moyen d’un analyseur de spectre permet ainsi de déduire la vitesse radiale de l’objet. Il faut noter que la translation de fréquence due à l’effet Doppler est très importante en optique : 189 kHz par m/s à = 10,6 µm (laser CO 2), ou 1,89 MHz par m/s à = 1,06 µm (laser Nd-YAG), ce qui confère aux « lidars Doppler » une excellente sensibilité en mesure de vitesse radiale.
Mesure  de  densité  des  gaz  ou  des  composants  atmosphériques :  Mesure  par  lidar
doppler DIAL
Principe de la mesure
A l‘instant initial, une impulsion  électromagnétique de longueur d‘onde (fréquence ⁄ ), et de durée est émise par un laser via un jeu d‘optiques. L‘impulsion se propage alors dans le milieu à sonder : l‘atmosp hère. Au cours de cette propagation, des cibles diffusent l‘onde.
Connaissant les paramètres atmosphériques et esl caractéristiques spectroscopiques de la raie d‘absorption la méthode de mesure DIAL ne demande pas d‘autres calibrations supplémentaires (par exemple une mesure absolue du coefficient de rétrodiffusion..) dans la mesure où on utilise le rapport entre les puissances rétrodiffusées aux deux longueurs d‘onde ON et OFF.

Mesures résolues

Des mesures DIAL résolues spatialement utilisent le signal rétrodiffusé d‘une impulsion laser courte par les aérosols et les molécules de l‘atmosphère. La distance R du volume diffusant est obtenue à partir du délai entre l‘émission et la réception de l‘impulsion.
Une mesure intégrée entre l‘instrument et unecible diffusante comme le sol ou les nuages peut être obtenue en considérant l‘épaisseur optique totale donnée par l‘équation (4.10). La méthode conduit à une mesure du rapport de mélange en X moyenné sur toute la colonne de mesure de l‘instrument à la cible en utilisant la fonction de poids donnée par l‘équation (4.12)
En pratique une telle mesure est plus facile à réaliser avec une bonne précision car la cible utilisée (nuage, sol, cible quelconque) permet d‘obtenir un fort rapport signal sur bruit.
Principe d’émission lidar : Cas de CO
Description
Les lasers continus sont constitués d‘un ensemble de pompage et d‘une cavité laser. Cette cavité laser est délimitée par laface externe du cristal et par la face concave d‘un coupleur de sortie. Ces lasers sont dits « quasi-trois niveaux » et requièrent en conséquence un pompage relativement élevé pour reêtexploitables.
Figure4.05 : Schéma  de  l‘oscillateur  continu
Le pompage est effectué longitudinalement par une diode laser AlGaAs. L’accord spectral  de  la  diode se  fait  en  température et  sa  puissance  nominale est  d‘environ 500 mW à 780 nm pour une intensité  de 800 mA. L‘émission est multimode et possède une enveloppe spectrale de largeur d‘environ 2 nm. Le faisceau est collimaté avec un objectif  de focale appelé condenseur  puis corrigé au moyen ‘uned paire de prismes anamorphoseur. Il est ensuite focalisé sur le cristal par un objectif  de focale. La répartition de l‘intensité de pompage peut être représentée par un faisceau gaussien elliptique de waist.
Lecoupleur de sortie de transmission est monté  dans untransducteurpiézo-électrique (PZT)afin de pouvoir faire varier la longueur de la cavité sur plusieurs  m.
Ladiode  estpolarisée  horizontalement.L‘axe  optique  ducristal  est  orienté horizontalement de manière à présenter l‘absorption maximale au faisceau de pompe.
L‘émission  laser  est  polarisée parallèlement à ‘axel optique.

Accordabilité et filtrage spectral

L‘objectif est d‘accorder l‘émission laser et de réduire sa largeur spectrale. Pour cela on insère dans la cavité laser un étalon de Fabry-Perot, constitué d‘une lame de silicium d‘environ 50 m d‘épaisseur.
Un tel étalon peut provoquer plus ou moins de perte dans la cavité laser suivant si sa bande passante est plus ou moins proche de la bande d‘émission du laser.
La longueur de la cavité est de l‘ordre de 2,1 cm. L‘intervalle spectral libre, écart entre deux modes longitudinaux, est d‘environ 7 GHz soit 100 pm. L‘émission monomode est obtenue par ajustement de la longueur de la cavité laser à l‘aide du PZT de manière à faire coïncider un mode de la cavité avec le maximum de transmission de l‘étalon.
En conclusion, les sources lasers continues ainsi constituées délivrent une puissance d‘environ 9 à 14 mW (le facteur limitant en p uissance est la puissance de la diode laser utilisée) monomode. Le domaine d‘accordabilité dépend de l‘étalon choisi et s‘étale sur environ 4 nm.
Contrôle spectrale
Les performances d‘une mesure DIAL reposent sur la connaissance précise des caractéristiques de la raie d‘absorption utilisée.Un réglage grossier est obtenu dans un premier temps en utilisant un spectromètre à réseau fonctionnant dans le proche infrarouge.
Une mesure de la longueur d‘onde est effectuée en sortie de la cavité pulsée à l‘aide d‘une fibre optique. L‘incertitude sur u ne mesure de la longueur d‘onde est de 0,2 nm. Ainsi le spectromètre permet un calage grossier sur une raie d‘absorption, l‘écart spectral entre deux raies étant égal à ~ 1 nm, mais ne peut donner aucune information supplémentaire.
Réception et acquisition des signaux
Détection des signaux utiles
L‘impulsion émise de la cavité pulsée passe, aprèscollimation du faisceau, polarisée horizontalement,  est  envoyée dans l‘atmosphère avec une polarisation circulaire après passage à travers une lame quart d‘onde. Une fraction des faisceaux, impulsion émise et oscillateu local, est mélangée optiquement au niveau d‘undétecteur photovoltaïque, appelé détecteur de référence. Ce détecteur permet la mesure tir à tir de la fréquence de battement entre l‘impulsion émise et l‘oscillateur local, l‘énergie de l‘impulsion émise ainsi que la puissance de l‘OL pour les deux longueurs d‘onde ON et OFF.

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