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Développement d’une version polarisée

Dans le document The DART-Europe E-theses Portal (Page 97-101)

4.3 Développement et optimisation opto-mécanique

4.3.4 Développement d’une version polarisée

Une des particularités de l’atmosphère en région arctique est la présence de nuage en phase mixte, c’est à dire possédant de l’eau liquide et de la glace. En effet l’eau peut y être sous forme liquide jusqu’à des températures très négatives (par-fois jusque -40oC) grâce au phénomène de surfusion. Cette particularité rend très difficile la prise en compte de la nébulosité en arctique par les modèles et par consé-quent l’obtention d’un bilan radiatif présentant des incertitudes limitées puisque la diffusion/absorption dépendent de la phase de l’eau. C’est pourquoi dès qu’un pro-totype de LiDAR à rétrodiffusion simple possédant les performances requises a été obtenu, une variante polarisée a été étudiée. Cette évolution a aussi été réalisée en partenariat avec l’entreprise française Cimel Electronique, avec la contrainte d’im-planter deux fois plus d’éléments opto-mécaniques dans un environnement réduit.

Il fallait également trouver un moyen d’émettre en polarisation linéaire puisque ce n’était pas le cas de la source fibrée utilisée (multimode sans maintien de polari-sation). Une recherche technologique a permis de trouver un polariseur, possédant les caractéristiques nécessaires, dont une bonne transmission (cf Figure 4.9) et une résistance à des températures extrêmes, qui pouvait être adapté au niveau de la tête optique directement à la sortie de la fibre d’émission sans élément optique sup-plémentaire. Il fallait également séparer les polarisations dès la réception au niveau de la tête optique, pour les mêmes raisons. Un cube séparateur a alors été mis en place au niveau de la tête optique afin de séparer chaque polarisation dans une fibre différente pour transmettre le flux jusqu’aux optiques de filtrage en bas du tube (cf Figure 4.10).

Le principal problème avec cette approche d’obtention d’une émission polarisée est la nécessité de pouvoir émettre plus d’énergie. En effet, en sortie de fibre, comme les deux polarisations sont pratiquement équitablement réparties en terme d’éner-gie, le polariseur va couper 50% de l’énergie. A cette perte s’ajoute sa transmission, ce qui conduit à devoir émettre en pire cas, pour émettre la totalité de l’énergie autorisée, environ 2,3 fois plus d’énergie que pour la version non polarisée.

A noter toutefois que le flux solaire parasite diffusé va lui aussi être divisé par deux à la réception après avoir séparé la polarisation, ce qui va améliorer le rapport signal sur bruit dans la voie en polarisation parallèle.

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Figure 4.9 – Courbes de transmission et de contraste entre la polarisation émise et celle perpendiculaire (d’après la documentation technique de la société CODIXX AG).

Figure4.10 – Schéma de la version polarisée du second prototype du microLiDAR IAOOS

4.3.4.2 Performances, étalonnage et résultats

L’étalonnage du système a été réalisé d’après la méthode présentée dans la sec-tion 3.2.2. Les profils d’étalonnage aux différents angles définis dans cette méthode pour le premier système IAOOS polarisé sont indiqués sur la figure 4.11. En sup-posant la présence d’une zone moléculaire entre 1000 et 1300m, les caractéristiques du cube polariseur déduites de ces profils et de la méthode de calcul décrite précé-demment sont :

Ts : 1,62%

Rs : 98,38%

Tp : 97,61%

Rp : 2,39%

La valeur deTpest cohérente avec la fiche technique qui indique une transmission supérieure à 90%. En revancheRs ne correspond pas à la valeur du fournisseur qui est sensée être supérieure à 99,5%. La valeur déduite ici par le calcul d’étalonnage est néanmoins très proche. La constanteV a été estimée à 1,139.

Figure 4.11 – Pu·z2 provenant d’observations nocturnes ayant servi à la calibra-tion du premier LiDAR IAOOS polarisé, comme indiqué dans la méthode optimisée de Liu [Liu 2013]. Pour chaque figure l’angle indiqué entre parenthèse correspond ainsi à l’angle entre la polarisation émise et celle transmise par le cube en voie de réception. Une zone entre 1 et 1.3km a été considérée comme correspondant à du signal moléculaire (de dépolarisation 0.36%), afin de déterminer les caractéristiques du cube séparateur. La constante V a été estimée à 1.139. Etant donné la dépola-risation très faible par les molécules il peut être difficile de repérer une zone où la dépolarisation théorique moléculaire puisse être atteinte (correspondant au rapport minimum observé), ce qui peut fausser l’étalonnage.

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Une contamination par des aérosols de la zone moléculaire utilisée dans l’éta-lonnage peut conduire à des erreurs relatives de Rs, Ts etV de l’ordre de quelques pourcents, et de Rp et Tp de l’ordre de 100%. Les conséquence de ces erreurs sont limités à une erreur relative d’une dizaine de pourcents lorsque la dépolarisation est importante (>30%) et supérieure à 30% pour des dépolarisations inférieures à 10%.

D’après les caractéristiques du polariseur utilisé en émission (cf Figure 4.9) il est envisageable de négliger le biais lié à l’émission d’une composante non po-larisée. Celui lié au "cross-talk" n’a pour l’instant pas été précisément quantifié.

Enfin le désalignement entre les polarisations des voies d’émission et de réception est pour l’instant estimé à 1deg, à cause de la mécanique imprécise. Ceci entraine donc pour les plus faibles dépolarisations une erreur relative pouvant atteindre 100% [David 2012]. L’imprécision de cette mécanique peut également remettre en cause l’utilisation de la méthode de Freudenthaler car celle-ci requiert une rotation précise de 90deg. Il serait donc judicieux de réaliser à l’avenir des comparaisons avec un étalonnage utilisant la méthode d’Alvarez [Alvarez 2006] consistant à mesurer le rapport des signaux mesurés pour chaque polarisation en fonction de différents angles de "désalignement maîtrisés".

Figure 4.12 – Observations de nuit réalisées avec le système relatif aux profils d’étalonnage de la figure 4.11. En haut visualisation temporelle du logarithme de Puz2de la voie de réception correspondant à la polarisation théoriquement parallèle à celle émise. En bas dépolarisation correspondante en utilisant la méthode de calibration décrite précédemment et notamment l’équation 3.13. La dépolarisation au niveau du cirrus est globalement comprise entre 25 et 40%, ce qui est cohérent avec les valeurs habituellement mentionnées dans la littérature pour ce type de nuage [Reichardt 2002] [Chen 2002] [Del Guasta 2003].

Des représentations temporelles de résultats obtenus avec cet étalonnage lors d’une observation nocturne sur Paris sont données sur les figures 4.12 et 4.13.

Comme prévu la dépolarisation est limitée par le signal utile de la voie perpendi-culaire. Par conséquent seule la dépolarisation liée au cirrus et la couche d’aérosols de la couche limite est discernable au dessus de deux kilomètres d’altitude.

Figure4.13 – Gauche : profil moyenné sur les 350 premières minutes de la période représentée sur la figure 4.12. Une moyenne entre 1 et 1,3km sur ce profil fournit une valeur de dépolarisation de 0,3%, donc proche de la valeur attendue pour une zone qui avait été supposée comme correspondant à du signal moléculaire sur tous les profils servant à l’étalonnage. Droite : profil moyenné sur les 30 premières mi-nutes de la période représentée sur la figure4.12. Les valeurs de dépolarisation sont effectivement cohérentes pour un cirrus.

Étant donné leur coût beaucoup plus élevé, peu de LiDAR IAOOS polarisés ont été fabriqués et déployés. Le premier d’entre eux a été déployé lors de la campagne N-ICE2015 lors de laquelle il a fonctionné un peu plus d’un mois avant d’être récupéré. Nous présenterons brièvement des premières analyses concernant la version polarisée dans le chapitre 6.

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