Couplage du lidar avec des systèmes passifs

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B.3. Perspectives

B.3.3. Couplage du lidar avec des systèmes passifs

Pour la suite, on peut imaginer de coupler notre instrument lidar compact avec une caméra infrarouge afin d'éviter de devoir scanner la scène pour détecter une fuite. La caméra permettrait de localiser les fuites éventuelles et le lidar quantifierait ces fuites. Cette approche est initiée par [M-Squared] avec un OPO injecté couplé à une caméra infrarouge pour la détection de gaz à l’état de traces. Ce genre d’expérience pourra être testé à l'Onera à la suite de cette thèse avec l’instrument compact développé dans la gamme spectrale autour de 3,3 µm. Cela permettrait de réaliser des mesures de concentrations rapides pour ce type d’applications.

B.4. Synthèse

Au cours de cette partie, nous avons démontré le potentiel de notre instrument de mesure IP-DiAL dans le cadre de mesure d'un suivi de gaz ou polluants sur un site industriel. Elle s'articule autour de trois aspects :

 Le développement et la caractérisation de l'instrument ainsi que sa mise en œuvre sur le méthane et la vapeur d'eau atmosphériques ;

Une démonstration de mesure IP-DiAL a été réalisée sur le méthane et la vapeur d'eau en concentration atmosphérique sur une portée de 30 m. Les résultats obtenus lors de cette expérience montre une bonne fiabilité de l'estimation en concentration du méthane avec une incertitude inférieure à 10 % malgré les fortes variations en vapeur d'eau atmosphérique. Comme nous réalisons une mesure simultanée du contenue en méthane et en vapeur d'eau, cette dernière n'est plus une inconnue mais un paramètre de la mesure.

Microlaser de pompe

NesCOPO

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 L'analyse du bruit de mesure ;

L'analyse des sources de bruit de la mesure a mis en évidence une source de d'incertitude limitante : l'incertitude sur la connaissance de la longueur d'onde complémentaire. Une voie d'amélioration proposée consiste à réaliser une mesure précise et absolue de la longueur d'onde complémentaire émise par l'émetteur à l'aide d'une cellule de gaz de référence. Une seconde solution serait de réaliser une mesure simultanée de la longueur d'onde signal émise par l'émetteur et de la longueur d'onde de pompe.

 Les performances de l'instrument et les perspectives d'amélioration.

Nous n’avons pas eu l’occasion ni les moyens de réaliser une mesure sur des portées supérieures à 30 m. Mais, la portée maximale de l’instrument a été estimée à 260 m en utilisant un cristal de 50 mm long de long dans l'étage d'amplification. Enfin, nous avons montré que la sensibilité de notre instrument est très bonne pour le méthane et la vapeur d’eau atmosphériques. Néanmoins, pour les autres espèces présentes dans la gamme spectrale de l’instrument, même si sa sensibilité n’est pas suffisante pour permettre un suivi de leur concentration atmosphérique, cet instrument peut répondre à des problématiques industrielles.

Chapitre C : Développement d’un banc

LIDAR DiAL longue portée (1 km) autour de 2 µm

Objectif du chapitre :

Le développement et la caractérisation d’un émetteur multi-longueurs d’onde et multi-espèces dans le cadre des développements LIDARs spatiaux pour la mesure des gaz à effet de serre depuis l'espace sont décrits dans cette partie du manuscrit. Une proposition d'instrument complet et une estimation des performances de l'instrument pour une mesure DiAL résolue spatialement sont réalisées grâce au développement d'un code de modélisation.

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Introduction

Comme nous l'avons vu dans l’introduction générale, de nombreux LIDAR atmosphériques pour les applications spatiales sont en cours de développement sur deux gammes spectrales : la gamme spectrale autour de 2 µm et la gamme spectrale de 1,5 à 1,6 µm. Pour les émetteurs développés dans la gamme spectrale autour de 2 µm, les émetteurs ne permettent de mesurer jusqu’à présent qu'une seule espèce du fait de leur accordabilité limitée. Deux cas de figure se présentent pour les applications spatiales :

 un instrument placé à bord d'un satellite et

 un instrument sol dédié aux calibrations et validations de ces missions.

Pour répondre aux spécifications instrument résumées dans le Tableau 24, nous nous proposons de développer un émetteur multi-espèces haute énergie à 2 µm permettant d'adresser trois gaz à effet de serre (CO2, CH4 et H2O) pour les applications LIDAR résolu spatialement depuis le sol et IP-DiAL depuis l'espace.

Calibration et validation Instrument embarqué sur satellite Méthode de mesure Mesure résolue spatialement Mesure intégrée colonne

Portée souhaitée > 1 km 500 km

Résolution spatiale < 200 m /

Gaz à adresser Gaz à effet de serre (CO2, CH4, H2O) H2O l'interférent majoritaire

Tableau 24 : Spécifications de l'instrument LIDAR DiAL résolu spatialement

Au cours de ces travaux, nous réalisons un émetteur longueurs d'onde et multi-espèces dans le cadre des applications spatiales qui sera intégré dans un instrument LIDAR DiAL dont l’architecture est représentée sur la Figure 60. L'instrument est constitué des trois blocs usuels : le bloc d'émission, le bloc de réception et le bloc de pilotage et d'acquisition.

Figure 60 : Architecture générique de l'instrument LIDAR proposé Emetteur multi-longueurs d’onde

et multi-espèces Bloc d’émission Module de pilotage et

d’acquisition des données Bloc de pilotage et d’acquisition

Détecteur +

Bloc de réception

Particules

Atmosphère

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Nous avons choisi de travailler avec une détection directe pour deux raisons :

 la réalisation de mesures LIDAR multi-espèces donc sur une large gamme spectrale difficile à mettre en œuvre en détection hétérodyne ;

 l'émetteur développé s'appuie sur une technologie sans oscillateur local optique.

Ainsi, réaliser une détection hétérodyne n'a pas de sens. Cet aspect représente une différence fondamentale avec les systèmes basés sur des émetteurs injectés.

Nous avons choisi de réaliser une mesure lidar en détection directe. Or, il y a très peu d'informations dans la littérature concernant les mesures LIDAR en détection directe à 2 µm [Sugimoto - 1990]. Par conséquent, un code numérique de modélisation est développé afin de réaliser le dimensionnement et la prévision des performances de l'instrument.

Les développements émetteurs et instrumentaux à 2 µm réalisés au cours de cette thèse sont décrits ci-après :

 les spécifications émetteur associées à l'application spatiale et le contexte sont présentés en partie C.1 ;

 l’émetteur est décrit en partie C.2 ;

 les performances de l'instrument sont estimées en partie C.3 ;

 les perspectives de ce travail sont décrites en partie C.4.

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