Au terme de ce travail, nous pouvons répondre à la question suivante : « Est-il possible de mesurer simultanément, à l’aide d’un lidar Rayleigh-Mie, la vitesse de l’air, sa température, et sa densité, en se contentant, pour la partie Rayleigh du spectre, de la raie Cabannes ? ».
La réponse est que, sous réserve de connaître avec un grand degré de précision le modèle de spectre de cette raie Cabannes, alors la mesure est théoriquement possible, et avec une précision intéressante. Actuellement, la meilleure méthode pour réaliser cette mesure est une détection directe dans l’ultraviolet, beaucoup plus adaptée et performante qu’une détection hétérodyne dans l’infrarouge. Deux types d’analyseurs spectraux en détection directe ont été étudiés : l’interféromètre de Fabry-Perot Imageur (FPI) et le Double Interféromètre de Michelson Imageur (DIMI), ce dernier constituant une proposition originale de ce travail. Nous avons montré que les performances théoriques de ces deux systèmes sont proches, ce qui valide le principe du DIMI par rapport à la solution plus connue qu’est le FPI.
Toutefois, en ce qui concerne les mesures de température et densité atmosphérique, nous devons rester prudents : la mise en évidence, au chapitre 5, du très fort impact que peut avoir une légère erreur de modélisation de la forme de raie Cabannes sur les valeurs de température et densité estimées, nous invite à la plus grande réserve sur la faisabilité réelle de ces mesures. En fait, compte tenu de ces résultats, il ne nous semble pas judicieux de chercher à exploiter les informations de température et densité contenues dans la forme de la raie Cabannes, tant que la communauté scientifique n’aura pas statué sur la validité et sur la précision des différents modèles de spectres disponibles. L’avenir des mesures lidar de température et densité passe donc soit par des mesures préalables et très précises de la forme de raie, débouchant sur un modèle fiable, soit par l’exploitation, inexplorée au cours de ce travail, des composantes de rétrodiffusion inélastiques telles que les raies Raman (refs.[10][11]). Il y a donc à ce niveau deux axes de recherche possibles.
Pour les mesures de vitesse, en revanche, l’incertitude qui règne sur la forme de la raie Cabannes n’a pas d’importance puisque seule compte la position du centre de raie. La méthode de mesure de vitesse par imagerie de franges est donc parfaitement valide. A la fois par souci de simplicité et d’originalité, nous avons choisi de développer un interféromètre de Michelson imageur, plutôt qu’un FPI. Afin de faire face aux fortes contraintes métrologiques pesant sur l’instrument, nous avons mis en œuvre une méthode permettant d’étalonner la réponse de l’instrument à chaque tir laser. A notre connaissance, il s’agit du premier démonstrateur expérimental de ce type.
Le besoin impératif d’étalonnage de l’interféromètre à chaque tir laser nous a conduit à faire des sacrifices au niveau de la détectivité de l’instrument (efficacité quantique de caméra assez faible) et de sa précision de mesure (erreur ajoutée par l’étalonnage). En contrepartie, nous avons obtenu des mesures de vitesses très robustes : une expérience de détection de rafales de vent a pu être menée avec succès en plein jour, sans filtre solaire, et sans exercer le moindre contrôle thermo-mécanique sur l’interféromètre. Cette robustesse de mesure, alors même que les contraintes métrologiques sont très grandes, est probablement l’un des points les plus positifs de ce travail.
Conclusion générale
Nous n’avons pas réussi en revanche à effectuer des mesures absolues de vitesse, vraisemblablement à cause de problèmes liés au laser, notamment son instabilité en énergie et forme de faisceau. Nous avons cependant toutes les raisons de penser que ces problèmes devraient disparaître avec une source plus stable, telle que l’on sait en construire aujourd’hui. Par contre, il faut préciser que la méthode de mesure que nous avons développée est conçue pour être utilisée avec une source laser de grande énergie par impulsion (pour sortir du bruit de lecture de la caméra) mais de basse cadence (pour laisser à la caméra le temps de lire les images). Or on constate que, de plus en plus dans les systèmes embarqués, les sources lasers employées obéissent à la stratégie inverse (faible énergie par impulsion mais cadence de répétition élevée), ne serait-ce que pour des problèmes de sécurité oculaire. L’un des axes de recherche à l’avenir consisterait donc à chercher à adapter la méthode de mesure aux sources laser de hautes cadences. Pour ce faire, l’une des pistes prometteuses pourrait être de focaliser au moyen d’une lentille cylindrique les figures de franges de l’interféromètre sur une barrette linéaire de photodiodes. Ceci assurerait à la fois un gain de détectivité du signal pour des impulsions de faible énergie, mais aussi un gain en cadence de mesure puisque le nombre de « pixels » à lire serait alors considérablement réduit. Bien entendu, ceci demanderait en revanche de bien maîtriser l’orientation des franges d’interférences, c'est-à-dire de renforcer la stabilité thermo-mécanique de l’interféromètre. Mais, étant donné que nous n’avons exercé jusqu’à présent qu’un contrôle minimum, il devrait être possible de progresser sur ce point.
Pour terminer, pourquoi ne pas rêver un peu, en songeant qu’aujourd’hui, il est possible de construire de très beaux interféromètres de Michelson à champ compensé complètement monolithiques. Citons notamment les travaux publiés par Harlander et al.[37], qui firent réaliser l’interféromètre de Michelson à base hexagonale illustré ci-dessous. Par conséquent, s’il est un jour question d’utiliser un interféromètre de Michelson dans un aéronef pour des mesures lidar, il semble que des solutions technologiques intéressantes existent déjà !
Interféromètre de Michelson à champ compensé à base hexagonale, développé pour le projet de « Spatial Heterodyne Spectroscopy » (ref.[37]). Dans ce système, les miroirs sont remplacés par des réseaux.
Annexe A : Performances théoriques d’un lidar hétérodyne infrarouge 1,55 µm pour l’analyse du spectre Rayleigh
AAnnexe A
Performances théoriques d’un lidar hétérodyne infrarouge
1,55 µµµµm pour l’analyse du spectre Rayleigh
Cette annexe s’adresse au lecteur déjà familier des bases du lidar hétérodyne et de ses notations usuelles. Elle a pour but de montrer qu’à l’heure actuelle, les sources impulsionnelles infrarouges ne sont pas suffisamment puissantes pour permettre l’analyse hétérodyne du spectre Rayleigh. Nous nous limiterons ici à l’étude du paramètre vitesse seul, à une longueur d’onde de 1,55 µm.